Nội dung

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÁT THẢI CH4 TỪ ĐẤT PHÙ SA SÔNG HỒNG VÀ ĐẤT XÁM BẠC MÀU TRỒNG LÚA Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM Vũ Thắng, Nguyễn Hồng Sơn, Phạm Quang Hà SUMMARY Assessment of CH4 emission from rice - growing fluvisols and acrisols in North Vietnam Rice soils is a major emission source of CH4, the important greenhouse gas causing global warming. CH4 emission from rice soils is affected by agronomic and environmental factors. Therefore eveluation of CH4 emission potential of different rice production systems is required. In a pot experiment conducted in IAE, Hanoi, CH4 emission from fluvisols or acriosols cultivated with rice (Khangdan 18) with or without fertilizer application was observed and also checked in actual rice fields. The study shown that cumulative CH4 emission per unit of area (CCE/A) was 9% higher, but cumulative CH4 emission per unit of grain commodity (CCE/C) was 57% lower, in fluvisols than those in acrisols when not applied with fertilizer. Fertilizer application at the popular rate increased CCE/A by 15.4% and 25.5% while it decreased CCE/C by 30% and 59% in fluvisols and acrisols, respectively when compared to controls without fertilizer. In both soil types, CCE/A in Spring rice - 2 crop higher that in Summer rice crop (44489 - 45061 vs. 33454 - 39718 mgC m ) but CCE/C between two the rice crops did not differ statistically (84.3 and 93.7 mgC/g). The highest CH4 emission intensity occured in 45 - 60 days after transplanting. These results suggested that CH4 emission from different soil types differ but this can be overshadowed by difference in cultivation techniques and climate. Further studies on effect of cultivation techniques on CH4 emission from different soil types are essential. Keywords: Metan emission, rice soils, fluvisols, acrisols. T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam I. §Æt vÊn ®Ò CH4 là một trong các khí nhà kính (KNK) đóng góp nhiều nhất vào việc làm mất cân bằng bức xạ, gây ra hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu. Trong khí quyển, lượng CH4 đã tăng từ 0,700 ppmV năm 1750 lên 1,774 ppmV năm 2005. Canh tác lúa nước là nguồn phát thải đóng góp phần lớn vào sự tăng lên của CH4 khí quyển suốt thế kỷ qua (IPCC, 2007). Trong đất trồng lúa, CH4 là một sản phNm cuối cùng của quá trình phân hủy các vật chất hữu cơ bởi vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. Một phần CH4 sau khi được tạo ra bị oxy hóa bởi các vi khuNn methanotroths trong lớp đất mặt xung quanh rễ cây, phần còn lại phát thải vào khí quyển chủ yếu bằng con đường khuếch tán qua hệ thống mạch thông khí (Conrad et al., 2006). Do vậy, phát thải CH4 từ đất lúa bị chi phối bởi tính chất hóa, lý, sinh học đất; các kỹ thuật canh tác như làm đất, bón phân, tưới nước, gieo trồng hay nền khí hậu mùa trồng (Inubushi et al., 1989). Việt Nam có diện tích gieo trồng lúa hàng năm khoảng 7,4 triệu ha (2009). Sự phân bố rộng các vùng trồng lúa đã tạo ra các hệ thống lúa đa dạng về kiểu luân canh, chế độ nước, kỹ thuật gieo trồng trên các loại đất khác nhau như đất phù sa, đất đỏ hay đất xám. Các hệ thống lúa khác nhau chắc hẳn liên quan đến mức độ, quy luật phát thải hay hệ số phát thải CH4 khác nhau. Tuy nhiên, cho đến nay vấn đề này chưa được triển khai nghiên cứu nhiều trong các điều kiện sản xuất lúa thực tế ở Việt Nam. Năm 2008, Viện Môi trường Nông nghiệp bắt đầu tiến hành nghiên cứu các biện pháp sử dụng phân bón góp phần giảm thiểu phát thải CH4 từ ruộng lúa ở một số loại đất trồng lúa ở miền Bắc Việt Nam trong một chương trình hợp tác với Đại học Chiba Nhật Bản. Bài viết này trình bày một phần kết quả theo dõi, đánh giá CH4 phát thải từ đất phù sa (fluvisols) và đất xám bạc màu (acrisols) trong nghiên cứu nói trên thực hiện từ vụ xuân 2009 đến vụ xuân 2010 với mục đích cung cấp thêm các bằng chứng khoa học và cơ sở dữ liệu cho việc xây dựng phần mềm kiểm kê phát thải KNK từ canh tác lúa và cho các nghiên cứu giảm thiểu phát thải KNK trong nông nghiệp ở Việt Nam. II. VËt liÖu vµ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 1. Vật liệu nghiên cứu Lúa giống Khang dân 18 trồng trên hai loại đất: Đất phù sa thu thập tại Từ Liêm, Hà Nội và đất xám bạc màu thu thập ở Hiệp Hòa, Bắc Giang được coi là các yếu tố chính; hai kiểu xử lý phân bón: Bón theo mức thông thường (100 kg N, 90 P2O5 kg và 70 kg K2O/ha đất phù sa và 120 kg N, 90 P2O5 kg, 90 kg K2O và 10 tấn phân chuồng/ha đất xám) và không bón phân được coi là các yếu tố phụ. 2. Phương pháp nghiên cứu Lấy mẫu khí và phân tích theo phương pháp buồng kín (closed - top chamber). Mẫu được lấy định kỳ 1 - 2 tuần/lần. Xác định nồng độ CH4 trong mẫu bằng GC - MS. Tính lượng CH4 phát thải qua mối quan hệ giữa sự tăng lên về nồng độ trong buồng và thời gian lấy mẫu. Theo dõi phát thải CH4 trên đồng ruộng thực tế ở hai loại đất được thực hiện từ vụ xuân 2009 đến vụ mùa 2010 tại khu thực nghiệm Viện Môi trường Nông nghiệp, Hà Nội đối với đất phù sa và Trung tâm nghiên cứu đất, phân bón và môi trường ở Hiệp Hòa, Bắc Giang đối với đất 2 T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam xám bạc màu. Lúa sử dụng là giống Khang dân 18, cấy 3 dảnh/khóm và 55,5 khóm/m2, được chăm sóc và bón phân theo mức thông thường ngoài sản xuất (như nêu ở trên). Mỗi ruộng được chia làm 3 ô và các ô được lấy mẫu khí theo phương pháp buồng đóng, lấy định kỳ 1 2 tuần/lần. Tổng CH4 phát thải/đơn vị diện tích/vụ (ký hiệu CH4 - DT) được ước tính theo công thức Y = ∑ 24Xi x
di, trong đó Y là tổng lượng CH4 phát thải suốt vụ (mgC m - 2 vụ - 1), Xi là lượng CH4 đo được ở các đợt lấy mẫu (mgC m - 2 h - 1),
di là khoảng cách giữa các đợt lấy mẫu (ngày). Lượng CH4 phát thải/đơn vị sản phNm (ký hiệu CH4 - SP) được tính bằng CH4 - DT/năng suất hạt. Các số liệu được xử lý thống kê theo kiểu thí nghiệm 1 hoặc 2 nhân tố bằng phần mềm Excel. III. KÕt qu¶ vµ th¶o luËn 1. Phát thải CH4 và loại đất Kết quả thí nghiệm trong chậu tiến hành vụ xuân 2009 cho thấy ở cả đất phù sa và đất xám cường độ phát thải CH4 qua các giai đoạn sinh trưởng dao động từ 2,5 đến 25 mgC/m2/giờ. Trị số phát thải lớn nhất vào giai đoạn 45 - 60 ngày sau cấy, từ khi lúa đẻ rộ đến làm đòng (Đồ thị 1). Tổng CH4 - DT ở đất phù sa lớn hơn 9% (p<0,1) so với đất xám bạc màu (19500 so với 17881 mgC/m2/vụ) trong trường hợp lúa ở cả 2 loại đất không được bón phân (Đồ thị 2) và tổng CH4 - DT tương đương nhau giữa 2 loại đất trường hợp lúa được bón phân bình thường. Sự lớn hơn về tổng CH4 - DT ở đất phù sa so với đất xám khi lúa không được bón phân đã phản ánh phần nào ảnh hưởng của loại đất khác nhau đến phát thải CH4. Kết quả phân tích đất cho thấy hàm lượng hữu cơ và một số yếu tố dinh dưỡng trong đất phù sa cao hơn so với đất bạc màu. Thực tế các đặc tính sinh trưởng như tích lũy sinh khối ở đất phù sa cũng lớn hơn đất xám bạc màu. Trong điều kiện lúa được bón phân đầy đủ, đất bạc màu được bón phân chuồng trong khi đất phù sa không được bón đã làm giảm sự khác biệt về hàm lượng hữu cơ và các đặc tính môi trường đất liên quan đến quá trình phát thải CH4 giữa hai loại đất. Các đặc tích sinh trưởng của lúa (số nhánh, diện tích lá, tổng sinh khối, sinh khối rễ) trên hai loại đất cũng không khác nhau nhiều như là trong trường hợp không bón phân. Điều này cung cấp thêm bằng chứng lý giải vì sao lượng CH4 phát thải giữa 2 loại đất khi được bón phân đầy đủ lại khác nhau không nhiều trong khi nó khác nhau đáng kể trong trường hợp không được bón phân. Trong điều kiện canh tác đồng ruộng thực tế, cường độ phát thải CH4 dao động từ 4,7 65,2 mgC/m2/giờ trên đất phù sa và từ 3,4 - 57,3 mgC/m2/giờ trên đất xám, các giá trị này cao hơn so với kết quả đo được ở cùng loại đất trong điều kiện canh tác lúa trong chậu (Đồ thị 3). Cường độ phát thải cao nhất cũng xuất hiện trong khoảng 45 - 60 ngày sau cấy nhưng trị số phát thải cao nhất lớn hơn nhiều so với các giá trị thu được ở thí nghiệm trong chậu trên cả hai loại đất. Tổng CH4 - DT từ đất phù sa cao hơn 18,7% so với đất xám (39719 so với 33454 mgC/m2/vụ) ở vụ mùa 2009, xu hướng này tương ứng với trường hợp quan sát thấy ở thí nghiệm trong chậu ở đất lúa không bón phân. Tuy vậy, ở vụ xuân 2010, tổng lượng CH4 phát thải không khác nhau giữa 2 loại đất, xu hướng này tương ứng trường hợp quan sát thấy ở thí nghiệm trong chậu khi lúa được bón phân. 3 T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam (a) Đất phù sa 40 Không phân bón Có phân bón CH4 (mgC m-2 h-1) 32 24 16 8 0 0 20 40 60 80 100 120 Ngày sau cấy (b) Đất xám 40 Không phân bón Có phân bón CH4 (mgC m-2 h-1) 32 24 16 8 0 0 20 40 60 80 Ngày sau cấy 100 120 Đồ thị 1. CH4 phát thải qua các giai đoạn sinh trưởng của lúa trồng trong chậu trên đất phù sa và đất xám có hoặc không bón phân vụ xuân 2009. Sự khác nhau về điều kiện môi trường đất như nhiệt độ hay khả năng di chuyển của các chất giữa đất trong chậu và ở ruộng thực tế có thể dẫn đến sự khác nhau về lượng CH4 được hình thành và di chuyển. Các kết quả khác nhau này gợi ý rằng trong quá trình nghiên cứu và sử dụng dữ liệu liên quan đến sự phát thải CH4 từ canh tác lúa cần phải lưu ý đến điều kiện hay quy mô của nghiên cứu. Đất phù sa có tiềm năng phát thải CH4 lớn hơn đất xám bạc màu nhưng trong điều kiện sản xuất hiện nay xu hướng trên có thể không xảy ra do mức thâm canh phân bón để tối ưu năng suất trên hai loại đất khác nhau. 4 T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam 64000 CH4-DT đất phù sa CH4-DT đất xám CH4-SP đất phù sa CH4-SP đất xám 160 120 48000 80 32000 40 16000 0 CH4-SP (mgC g-1 hạt) CH4-DT (mgC m -2 vụ-1) 80000 0 Không phân bón Có phân bón ANOVA CH4-DT Loại đất: * Phân bón: ** Tương tác: ns CH4-SP * ** ** Đồ thị 2. CH4 phát thải từ đất lúa trồng trong chậu ở đất phù sa và đất xám trong điều kiện không hoặc có bón phân (cột mô tả sai số chu9n tính qua 3 lần nhắc lại) Đồ thị 3. CH4 phát thải qua các giai đoạn sinh trưởng của lúa trồng ở đồng ruộng thực tế bón phân đầy đủ trên đất phù sa và đất xám Về CH4 - SP, kết quả thí nghiệm trong chậu cho thấy so với đất xám bạc màu trồng lúa thì đất phù sa trồng lúa có CH4 - SP thấp hơn 57% (18,5 so với 42,8 mgC/g hạt) trong điều kiện không bón phân và thấp hơn 27% (12,9 so với 17,7 mgC/g hạt) trong điều kiện có bón phân (Đồ thị 2). Trong điều kiện đồng ruộng thực tế thì CH4 - SP không khác nhau có ý nghĩa giữa hai loại đất và giá trị dao động trong khoảng 70 - 110 mgC/g hạt, lớn hơn nhiều so với lúa trồng trong chậu. Sự khác nhau về giá trị chỉ tiêu CH4 - SP này có thể giải thích: Lúa, xét về cá thể, trồng trong chậu có điều kiện ánh sáng và dinh dưỡng dồi dào nên năng suất lúa thu được cao hơn nhiều so với lúa 5 T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam trồng ngoài đồng ruộng nơi mà có sự canh tranh về dinh dưỡng và ánh sáng trong quần thể trong khi tổng CH4 - DT ở trong chậu lại thấp hơn ngoài đồng ruộng do vậy dẫn đến hệ số CH4 - SP ở lúa trong chậu lớn hơn đáng kể. Tóm lại, trong điều kiện không bón phân thì đất phù sa trồng lúa có CH4 - DT lớn hơn trong khi CH4 - SP lại thấp hơn so với đất xám bạc màu. Trong điều kiện đất phù sa được bón phân hóa học đầy đủ và đất xám được bón cả phân hóa học và phân chuồng để tối ưu năng suất như trong sản xuất hiện nay thì tổng CH4 - DT trong một vụ và CH4 - SP không khác nhau đáng kể giữa hai loại đất. 64000 160 CH4-DT đất phù sa CH4-DT đất xám CH4-SP đất phù sa CH4-SP đất xám 48000 80 32000 40 16000 0 Vụ mùa 2009 120 Vụ xuân 2010 CH4-SP (mgC g-1 hạt) CH4-DT (mgC m -2 vụ-1) 80000 0 Vụ Mùa 2009 Vụ Xuân 2010 ANOVA CH4-DT Vụ trồng: * Loại đất: ns Tương tác: + CH4-SP * ** ** Đồ thị 4. CH4 phát thải từ ruộng lúa thực tế được bón phân theo mức thông thường trên đất phù sa và đất xám (cột mô tả sai số chu9n tính qua 3 lần nhắc lại). 2. Phát thải CH4 và phân bón Kết quả thí nghiệm đối với lúa trồng trong chậu vụ xuân 2009 cho thấy trong suốt vụ lúa cường độ phát thải CH4 ở đất lúa có bón phân có xu thế cao hơn ở đất lúa không được bón phân (Đồ thị 1). Do vậy, tổng CH4 - DT trong một vụ lúa được bón phân tăng 15,4% (p<0,05) trên đất phù sa (22506 so với 19500 mgC/m2/vụ) và tăng 25,5 % (p<0,05) trên đất xám bạc màu (22465 so với 17881 mgC/m2/vụ) khi so sánh với lúa không được bón phân trên cùng loại đất (Đồ thị 2). Điều này có thể do phân bón có ảnh hưởng tích cực đến sự sinh trưởng của lúa như làm tăng số nhánh, diện tích lá và sinh khối rễ, những yếu tố thuận lợi cho quá trình hình thành và di chuyển CH4 từ đất vào không khí. Xết về chỉ tiêu CH4 - SP, ở cả 2 loại đất CH4 - SP ở đất lúa có bón phân thấp hơn đáng kể đất không bón phân. Cụ thể, bình quân qua 3 lần nhắc lại CH4 - SP ở đất lúa có bón phân giảm 30% trên đất phù sa (13,9 so với 18,5 mgC/g hạt) và giảm 59% trên đất xám bạc màu (17,7 so với 42,8 mgC/g hạt) khi so với lúa không bón phân (Đồ thị 2). Kết quả ở đây gợi ý rằng việc nghiên cứu giải pháp làm giảm phát thải KNK trong nông nghiệp cần lưu ý đến chỉ tiêu lượng KNK phát thải trên một đơn vị sản phNm. 3. Phát thải CH4 và vụ trồng 6 T¹p chÝ khoa häc vµ c«ng nghÖ n«ng nghiÖp ViÖt Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng CH4 - DT phát thải vụ xuân 2010 cao hơn vụ mùa 2009 ở cả hai loại đất (Đồ thị 4). Cụ thể, tổng CH4 - DT ở vụ xuân cao hơn 12% (44489 so với 39718 mgC/m2) ở đất phù sa và 34,6% (45061 so với 33454 mgC/m2) ở đất xám bạc màu so với vụ mùa. CH4 phát thải có xu hướng tăng nhanh giai đoạn đầu vụ và đạt tới trị số phát thải tối đa ở vụ mùa sớm hơn ở vụ xuân. Thời gian sinh trưởng của lúa ngắn hơn ở vụ mùa có thể là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến tổng CH4 - DT vụ mùa thấp hơn vụ xuân. Tuy nhiên, CH4 - SP không có sự khác nhau có ý nghĩa về mặt thống kê giữa vụ xuân 2010 và vụ mùa 2009 (93,7±12,1 so với 84,3±15,8 mgC/g hạt) trong nghiên cứu này cả CH4 - DT và năng suất lúa ở vụ mùa đều thấp hơn so với vụ xuân. IV. KÕt luËn Đất phù sa trồng lúa có tiềm năng phát thải CH4 trên đơn vị diện tích lớn hơn (9%) nhưng lượng CH4 phát thải/đơn vị sản phNm lại thấp hơn ( - 57%) so với đất xám bạc màu trồng lúa. Bón phân cho lúa để tối ưu năng suất làm tăng CH4 - DT (15,4% ở đất phù sa, 25,5% ở đất xám) nhưng lại làm giảm CH4 - SP (30% ở đất phù sa, 59% ở đất xám). Do vậy, việc đầu tư thâm canh trong thực tế sản xuất hiện nay có thể triệt tiêu sự khác nhau về phát thải CH4 DT hoặc CH4 - SP giữa hai loại đất. Ở cả hai loại đất, tổng CH4 - DT ở vụ xuân (4489 45061 mgC m - 2) có xu hướng cao hơn ở vụ mùa (33454 - 39718 mgC m - 2) nhưng CH4 - SP không khác nhau đáng kể giữa 2 vụ (84,3 - 93,7 mgC/g hạt). 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. N goài yếu tố loại đất phát thải CH4, trong điều kiện đồng ruộng còn bị chi phối rất nhiều bởi các yếu tố kỹ thuật canh tác, đặc biệt là chế độ phân. Do vậy, cần tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật canh tác lúa trong quá trình làm đất, bón phân, gieo trồng quản lý nước,... đến phát thải CH4 trên các loại đất và vùng sinh thái khác nhau để có đầy đủ cơ sở khoa học và thực tế cho việc đánh giá và tìm giải pháp giảm thiểu phát thải CH4 từ canh tác lúa. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Conrad R., Erkel C., Liesack W., 2006. Rice Cluster I methanogens, an important group of Archaea producing greenhouse gas in soil. Biotechnology, 17: 262 - 267. 2. Inubushi K, Hori K, Matsumoto S et al. (1989) Methane emission from the flooded rice soil to the atmosphere through rice plant. Japanese Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 60, 318 - 324 (in Japanese with English summary). 3. IPCC, 2007. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. Người phản biện GS. TSKH. Trần Duy Quý 7