tình hình phát thải khí metan do hoạt động canh tác lúa nước ở khu vực đồng bằng sông hồng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
***


NGUYỄN ðỨC HÙNG


TÌNH HÌNH PHÁT THẢI KHÍ METAN
DO HOẠT ðỘNG CANH TÁC LÚA NƯỚC
Ở KHU VỰC ðỒNG BẰNG SÔNG HỒNG



LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP


Chuyên ngành : Khoa học ðất
Mã số : 60.62.15

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU THÀNH




HÀ NỘI – 2011
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


i

LỜI CAM ðOAN

Tôi cam ñoan ñây là cổng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn


Nguyễn ðức Hùng
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


ii
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này, tôi ñã
nhận ñược sự hướng dẫn nhiệt tình, chu ñáo của thầy giáo PGS. TS. Nguyễn
Hữu Thành. Bên cạnh ñó là sự giúp ñỡ quý báu của toàn thể các thầy cô giáo
và cán bộ làm việc tại bộ môn Khoa học ñất, phòng thí nghiệm phòng Thí
nghiệm trung tâm, khoa Tài nguyên và Môi trường, trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội, cùng với sự tương trợ thân ái của bạn bè, gia ñình và người
thân.
Với long biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự
giúp ñỡ quý báu ñó.
Tác giả luận văn


Nguyễn ðức Hùng

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


iii

MỤC LỤC

Lời cam ñoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ viết tắt v

Danh mục bảng vi

Danh mục hình vii

MỞ ðẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của ñề tài 1

1.2 Mục ñích và yêu cầu 2

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 3

2.1 Phát thải khí nhà kính 3

2.2 Quá trình hình thành khí metan CH
4
8

2.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí metan CH
4
17

2.4 Các giải pháp giảm thiểu 30

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

3.1 ðối tượng nghiên cứu 34

3.2 Phạm vi nghiên cứu 34

3.3 Nội dung nghiên cứu 34

3.4 Phương pháp nghiên cứu 34

3.4.1 Phương pháp thu thập số liệu. 34

3.4.2 Thời gian tiến hành lấy mẫu 35

3.4.3 Phương pháp lấy mẫu 35

3.4.4 ðịa ñiểm lấy mẫu 35

3.4.5 Phương pháp phân tích 36

3.4.6 Phương pháp tính ñộ phát thải khí CH
4
36

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


iv
3.4.7 Phương pháp xử lý số liệu
37

4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 38

4.1 Khái quát một số ñặc ñiểm khí hậu của vùng nghiên cứu 38

4.2 Hiện trạng ñất lúa nước của vùng nghiên cứu. 41

4.3 Tình hình sử dụng phân bón và xử lý rơm rạ sau thu hoạch. 42

4.4 Một số tính chất lý, hoá học của các ñất tại 5 tỉnh nghiên cứu 44

4.5 Xác ñịnh lượng khí CH
4
phát thải trên ñất lúa 49

4.5.1 Lượng khí CH
4
phát thải từ ñất lúa (thời kỳ ñẻ nhánh rộ) tại các
tỉnh nghiên cứu trong vụ mùa 49

4.5.2 ðộng thái phát thải khí CH
4
trong vụ xuân và vụ mùa 50

4.6 Mối quan hệ giữa một số tính chất của ñất với tốc ñộ phát thải
CH
4
từ ñất lúa (thời kỳ ñẻ nhánh rộ) 59

5 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 61

5.1 Kết luận 61

5.2 ðề nghị 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 1 70






Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT


IPCC

BðKH

KNK

FAO

KTNN

CðPT

CLT&CTP

ðHNN

HD

HUA

HN
Cơ quan Liên chính phủ về Biến ñổi Khí hậu

Biến ñổi khí hậu

Khí nhà kính

Tổ chức Nông lương Thế giới

Khí tượng nông nghiệp

Cường ñộ phát thải

Cây lương thực và cây thực phẩm

ðại học Nông nghiệp

Hải Dương

ðại học Nông nghiệp Hà Nội

Hà Nội



Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


vi
DANH MỤC BẢNG
STT Tên bảng Trang

2.1 Lượng khí metan phát thải do trồng lúa nước ở một số nước 5
2.2 Ước tính lượng thải khí metan từ các nguồn khác nhau 6
4.1 Giá trị một số yếu tố khí hậu vùng ñồng bằng sông Hồng năm
2010. 40
4.2 Diện tích ñất trồng lúa vùng nghiên cứu giai ñoạn 2005-2010. 41

4.3 Lượng NPK trung bình bón cho lúa ở vùng nghiên cứu 42
4.4 Một số tính chất lý, hóa học ñất lúa vùng nghiên cứu 47
4.5 Tốc ñộ phát thải khí CH4 từ ñất lúa thời kỳ ñẻ nhánh rộ tại các
tỉnh trong vụ mùa 2010. 49
4.6 Một số ñặc ñiểm của mẫu ñất trước nghiên cứu. 51
4.7 Liều lượng phân bón cho ñất thí nghiệm. 52
4.8 Cường ñộ khí CH4 phát thải trên ruộng lúa vụ xuân và vụ mùa. 53

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


vii

DANH MỤC HÌNH
STT Tên hình Trang

2.1 Sơ ñồ vận chuyển khí CH
4
trên ruộng lúa theo 3 con ñường 8
2.2 Quá trình phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng ở ñiều
kiện yếm khí 11
2.3 Giảm ñồ ổn ñịnh của các hệ oxy hóa-khử phụ thuộc vào Eh và pH 16
2.4 Biểu ñồ ñộng thái phát thải CH
4
với nhiệt ñộ, Eh, pH của ñất
ngập nước liên tục và không liên tục 25
2.5 Lượng khí CH
4
phát thải phụ thuộc vào thế oxy hoá khử của ñất
khi sinh trưởng của lúa 27

2.6 ðộng thái Eh của ñất trồng lúa và ñất không trồng lúa 28
4.1 Một số hình ảnh ñốt rơm rạ sau khi thu hoạch 43
4.2 ðộng thái phát thải khí CH
4
trong vụ mùa 2010. 56
4.3 ðộng thái phát thải khí CH
4
trong vụ Xuân 2011. 58



Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


1

MỞ ðẦU

1.1. Tính cấp thiết của ñề tài
Bên cạnh CO
2
, khí metan cũng ñóng góp một vai trò lớn của việc nóng
lên toàn cầu. Mặc dù hàm lượng phát thải khí metan toàn cầu thấp hơn phát
thải khí CO
2
nhiều nhưng metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn;
một tấn khí metan gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn một tấn CO
2
ñến 23 lần.
Giống như CO

2
khoảng 60% lượng phát thải khí metan toàn cầu có từ các
nguồn do con người gây ra và hàm lượng metan trong khí quyển ñã tăng lên
khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên chính phủ về thay ñổi khí hậu -
Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 1996). Hiện nay, người
ta tập trung chú ý vào hai nguồn khí metan mà chúng ta thường không nghĩ
ñến là những nhân tố gây ô nhiễm tự nhiên, ñó là khu vực ñầm lầy và các
ruộng lúa nước. Tách các nhân tố góp phần gây biến ñổi khí hậu rất phức tạp
bởi vai trò gây ô nhiễm của các chất này không ổn ñịnh ở các ñiều kiện khác
nhau. Ví dụ cây hấp thụ khí CO
2
nhưng khi chúng chết và mục ñi, chúng thải
khí CO
2
trở lại vào không khí. Các ñầm lầy và ruộng lúa cũng có vai trò kép
như vậy về cả khí CO
2
và metan. Chúng vừa là nguồn phát thải khí gây ấm
nóng toàn cầu và ñồng thời là bể chứa. Sử dụng các số liệu vệ tinh, các nhà
khoa học khẳng ñịnh rằng các ñầm lầy góp 53 – 58% phát thải khí CH
4
toàn
cầu và các ruộng lúa góp hơn một phần ba số ñó (IPCC, 1996).
Ở Việt Nam tuy có một số tác giả nghiên cứu bước ñầu về khí gây hiệu
ứng nhà kính ở khu vực nông nghiệp nhưng chưa chú ý tới sự phát thải CH
4

trên các ñất canh tác lúa nước khác nhau. Do ñó, việc nghiên cứu về tình hình
phát thải CH
4

trên các loại ñất lúa nước khác nhau trong ñiều kiện của Việt
Nam có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, ñây cũng là lý do chúng tôi tiến
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


2

hành ñề tài nghiên cứu: “Tình hình phát thải khí metan do hoạt ñộng canh
tác lúa nước ở khu vực ñồng bằng sông Hồng”.
1.2. Mục ñích và yêu cầu
1.2.1. Mục ñích
Nghiên cứu tình hình phát thải khí metan trên ñất của các kiểu sử dụng
ñất lúa khác nhau (2 lúa, 2 lúa – 1 màu) ở khu vực ñồng bằng sông Hồng.
1.2.2. Yêu cầu
Lấy ñược mẫu khí CH
4
trên các loại ñất lúa khác nhau.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


3

2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

2.1. Phát thải khí nhà kính
2.1.1. Phát thải khí nhà kính
Sự nóng lên toàn cầu gây ra BðKH chính là do sự tăng lên không
ngừng của KNK mà chủ yếu là sử dụng nguyên liệu hóa thạch, phá rừng.
Theo báo cáo khoa học lần thứ 4 của Ủy ban Liên chính phủ về thay ñổi khí
hậu, IPCC năm 2007, nồng ñộ khí CO

2
tăng 280 ppmv lên 379 ppmv, khí
metan tăng từ 715 ppbv lên 1774 ppbv và N
2
O cũng tăng từ 270 ppbv lên trên
319 ppbv. Lượng phát thải KNK do ñốt nhiên liệu hóa thạch hàng năm phát
thải từ 6,4 tỷ tấn CO
2
trong thập kỷ 90 của thế kỷ trước ñã lên tới 7,2 tỷ tấn
hàng năm trong giai ñoạn 2000 – 2005. Tác ñộng của BðKH trên phạm vi
toàn cầu hơn 100 năm qua có những biểu hiện chính như sau:
- Nhiệt ñộ trung bình tăng khoảng 0,7
0
C trong kỳ 1906 – 2005, tốc ñộ
tăng của nhiệt ñộ trong 50 năm gần ñây gấp ñôi so với 50 năm trước ñó.
- Trong thế kỷ 20, trung bình mực nước biển dâng 1,8 mm/năm, riêng
thập kỷ vừa qua tăng 3,1mm/năm. Vào cuối thế kỷ 21, dự báo nhiệt ñộ toàn
cầu có thể tăng thêm 1,1 -6,4
0
C và mực nước biển sẽ dâng cao ít nhất từ 2,8 –
4,3 mm/năm.
- Lượng mưa có chiều hướng tăng lên trong thời kỳ 1900 – 2005 ở phía
Bắc vĩ ñộ 30
º
, nhưng có xu hướng giảm kể từ 1970 ở vùng nhiệt ñới.
- Từ năm 1970, hạn hán thường xuyên xảy ra ở vùng nhiệt ñới và cận
nhiệt ñới.
- Các cơn bão mạnh và có quỹ ñạo bất thường gia tăng kể từ năm 1970.
- Có những biến ñổi trong chế ñộ hoàn lưu quy mô lớn trên lục ñịa và
ñại dương, dẫn ñến sự gia tăng về số lượng và cường ñộ hiện tượng El Nino.

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


4

Theo dự báo tại Việt Nam, sẽ diễn ra một số biến ñổi là nhiệt ñộ trung
bình năm tăng 0,1
0
C mỗi thập kỷ; mực nước biển dâng 5 cm mỗi thập niên, sẽ
dâng khoảng 33 -45 cm vào 2070 và 100 cm ñến năm 2011. Việt Nam là 1
tỏng 5 nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BðKH và mực nước biển dâng
cao. Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, nếu mực nước biển dâng cao 1
m, Việt Nam sẽ mất 12% diện tích ñất và ảnh hưởng tới 10,8% dân số. BðKH
dẫn ñến các trận bão xảy ra thường xuyên, với mức ñộ tàn phá nặng nề hơn.
2.1.2. Metan, khí gây hiệu ứng nhà kính
Khí CH
4
là một khí nhà kính quan trọng, nồng ñộ của khí này trong
khí quyển ñã tăng gấp ñôi kể từ trước thời kỳ công nghiệp, tăng nồng ñộ từ
715 ppbv lên 1774 ppbv. Hơn 20 năm qua, tỉ lệ tăng này có chững lại chút ít.
Cuối những năm 70 của thế kỷ trước, nồng ñộ tăng ở mức 20 ppmv/ năm.
Nhưng trong những năm 80 của thế kỷ trước, tỉ lệ tăng này chỉ là 9 – 13
mmpv. Giữa những năm 1992, nồng ñộ khí metan ở mức ổn ñịnh, không
thay ñổi nhưng kể từ năm 1993, tốc ñộ tăng nồng ñộ ổn ñịnh khí metan là 8
ppmv/năm (1997) [3].
Khí CH
4
là một khí nhà kính gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn CO
2
,

nó có khả năng gây ấm lên toàn cầu mạnh hơn 21 lần so với CO
2.
Tuy nhiên
thời gian tồn tại của khí này trong khí quyển ngắn hơn, chỉ khoảng 12 năm,
người ta ước tính rằng lượng phát thải trên toàn cầu chỉ cần giảm ñi 8% so
với mức nồng ñộ hiện nay thì nồng ñộ metan trong khí quyển sẽ ổn ñịnh
(IPCC, 1996). Mức giảm này là khá nhỏ so với những khí gây hiệu ứng nhà
kính khác là CO
2
và N
2
O.




Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


5

Bảng 2.1: Lượng khí metan phát thải do trồng lúa nước ở một số nước
Quốc gia
Tổng
lượng
CH
4
phát
thải
(triệu tấn)

Lượng CH
4
phát
thải do trồng lúa
so với tổng lượng
metan thải
(%)
Lượng CH
4
phát
thải do trồng lúa
nước so với tổng
lượng khí nhà kính
(%)
Mỹ năm 2005 328 1,3 0,1
Ý năm 2005 70 3,7 0,3
Nhật năm 2004 274 24,0 0,4
Trung Quốc năm 1994 10182 30,0 5,9
Ấn ðộ năm 2006 6600 35,0 9,8
Nguồn: Leip, Bocchi, 2007 [36].

Ở Việt Nam, theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí
nhà kính phát thải trong lĩnh vực nông nghiệp là 52,32 triệu tấn các bon,
chiếm 51% tổng lượng khí nhà kính phát thải của cả nước. ðến năm 2000,
qua kết quả kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nông nghiệp là 65,1
triệu tấn các bon chiếm 45,4% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn quốc.
Theo các số liệu kiểm kê năm 1994 thì phát thải lớn nhất là CH
4
trong ñó
trồng lúa phát thải 1559,7 nghìn tấn các bon/năm (chiếm 62,4%). Lĩnh vực

chăn nuôi phát thải chiếm 18,7%. Phát thải do diện tích ñất nông nghiệp khác
chiếm 15,4%, còn lại là do ñốt phế thải. ðiều ñó cho thấy trong nông nghiệp
thì trồng lúa nước là nguồn phát thải chủ yếu [3].
2.1.3. Các nguồn phát thải khí CH
4

Trong tự nhiên, người ta ñã xác ñịnh có rất nhiều nguồn phát thải khí
CH
4
khác nhau. Lượng phát thải khí CH
4
từ các nguồn khác nhau không giống
nhau. Ước tính lượng phát thải CH
4
ñược thể hiện ở bảng 2.2.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


6


Bảng 2.2: Ước tính lượng thải khí metan từ các nguồn khác nhau
(triệu tấn/năm)
Nguồn tự nhiên
- ðầm lầy 115 100 – 200
- Mối 20 10 – 50
- ðại dương 10 5 – 20
- Nước ngọt 5 1 -25
- Hydrat CH
4

5 0 -5
Nguồn gốc từ con người
- Khai thác than, công
nghiệp khí ñốt và dầu mỏ

100

70 – 120
- Trồng lúa 60 20- 150
- Lên men 80 65 -100
- Chất thải gia súc 25 20 – 30
- Xử lý rác thải 25 ?
- Chôn lấp chất thải 30 20 – 70
- ðốt tàn dư sinh vật 40 20 – 80
Nguồn: Watson và cộng sự, 1990[64].

2.1.4. Ruộng lúa là một nguồn phát thải khí metan
Lúa là một trong những loại ngũ cốc chính ñể nuôi sống con người, mỗi
năm ñược sản xuất khoảng 519 triệu tấn và chiếm ¼ tổng lượng ngũ cốc trên
toàn thế giới (IRRI, 1991) [28]. Không giống như các loại cây ngũ cốc khác,
lúa thích hợp với hệ sinh thái ẩm, ngập nước, ấm và nó ñã ñược trồng hàng
nghìn năm qua ở khu vực gió mùa của châu Á. Ngày nay, trên 90% lúa là ở
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


7

vùng ðông Nam Á và gạo ñược sử dụng cho 2/3 số dân sống ở ñây và gạo
cũng sẽ ñóng vai trò quan trọng trong những thế kỷ tiếp theo.
Kể từ khi nồng ñộ khí CH

4
trong khí quyển tăng nhanh trong thập kỷ
80 của thế kỷ trước thì người ta cho rằng canh tác lúa nước là nguồn phát thải
khí CH
4
quan trọng nhất. ðiều nghi ngờ này dựa trên thực tế là diện tích ñất
canh tác ñược mở rộng từ 84 lên 145 triệu ha (FAO, 1954 – 1988) [15] từ
năm 1936 ñến năm 1986, vì vậy, rất có thể lượng phát thải khí CH
4
tỉ lệ với
diện tích ñất lúa tăng lên.
Những phân tích ñịnh lượng ñầu tiên các nguồn phát thải khí CH
4
vào
khí quyển do Ehhalt và Schmidt (1978) [14] tiến hành ñã thừa nhận rằng
ruộng lúa là nguồn phát thải khí CH
4
lớn nhất. Họ ước tính mỗi năm trồng lúa
sẽ phát thải vào khí quyển 280 triệu tấn CH
4
trong tổng số lượng phát thải
toàn thế giới từ tất cả các nguồn là 570 – 850 triệu tấn/năm. Lượng CH
4
phát
thải từ ruộng lúa chủ yếu dựa trên các thí nghiệm tại Nhật Bản (Koyam, 1963)
[34]. Tuy nhiên Ehhalt và Schmidt (1978) chỉ ra rằng nồng ñộ này ñược xác
ñịnh trong phòng thí nghiệm chứ không phải trên ruộng lúa thực tế.
Cicerone và Shetter (1981) [9] thuộc Viện Khoa học California là
những người ñầu tiên nghiên cứu về phát thải khí CH
4

trên ruộng lúa sử dụng
phương pháp buồng kín. Và họ ñã xác ñịnh ñược ở ruộng lúa có sự phát thải
từ 0,04 ñến 0,3 g/m
2
/ngày. Họ cũng thấy rằng CH
4
phát thải chủ yếu qua cây
lúa. Phát thải qua khuếch tán hay bọt bong bóng là không ñáng kể.
2.1.5. Các con ñường hình thành khí CH
4
trên ruộng lúa
Khí CH
4
phát thải từ ruộng lúa vào khí quyển theo ba con ñường chính
là: từ bọt khí CH
4
dưới ñất, khuếch tán và phát thải từ cây lúa thông qua khí
khổng của cây (Schut et al., 1989; Delwiche and Cicerone, 1993) [54].
Nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ ñóng góp khoảng 1% tổng lượng khí
CH
4
, trong khi khí CH
4
ñi vào khí quyển ở dạng bọt khí chiếm tới 10% tổng
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


8

lượng phát thải từ ñất lúa, phần chủ yếu phát tán là thông qua thân cây lúa

chiếm 90% tổng lượng phát thải của ñất lúa ngập nước.


Hình 2.1: Sơ ñồ vận chuyển khí CH
4
trên ruộng lúa theo 3 con ñường
Theo Schutz và cộng sự, 1989 [54]

2.2. Quá trình hình thành khí metan CH
4

2.2.1. Sự phân giải chất hữu cơ và hình thành CH
4

Khí CH
4
là một hydrocacbon có thành phần là các bon và hydro, trong
ñó các bon là nguyên tố cơ bản của tất cả vật thể hữu cơ và chu trình sinh học
của nguyên tố này thuộc về những quá trình cơ bản của sự sống. Trong quá
trình biến ñổi chất hữu cơ, tuỳ theo ñiều kiện môi trường mà sản phẩm cuối
cùng có thể là CO
2
, H
2
O, các axit hữu cơ, H
2
, và CH
4
. ðây là quá tình biến
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

9

ñổi sinh hóa học phức tạp, có sự tham gia của các vi sinh vật ñã ñược nhiều
tác giả ñề cập (Muller G., 1964) [43], Alexander M. (1977) [6], Pagel H.
(1966)[48].
Nhìn chung ñây là quá trình phân huỷ sinh hóa của hợp chất cao phân
tử trong ñất, có sự xúc tác của enzim ñể chuyển thành những hợp chất hoà tan
trong nước hoặc thoát ra ngoài như khí CH
4
, CO
2
, H
2
…Tuỳ theo nguồn gốc
chất hữu cơ ban ñầu, ví dụ xenlulo, lignin hoặc chất ñạm…mà quá trình biến
ñổi và sản phẩm cuối cùng rất khác nhau.
Ở ñiều kiện hảo khí thì CO
2
và H
2
O ñược hình thành. Ở ñiều kiện yếm
khí thì các axit hữu cơ, khí CH
4
và H
2
ñược hình thành. ðây là quá tình biến
ñổi sinh hoá phức tạp, có sự tham gia của các vi khuẩn phân giải xenlulo
thuộc bộ Pseudomnadales, họ Spirillaceac, giống Vibrio, Callvibrio và

Cellfalcicula…Bên cạnh ñó còn có sự tham gia của các loài nấm thuộc lớp
Ascomycetes mà Myxotrichum Chartarum là một ñại diện ñiển hình thuộc
chủng Gymnoascales, họ Chytridiaceac.
2.2.2. Sự phân giải lignin và các hợp chất tương tự
Trong xác thực có chứa nhiều hợp chất hữu cơ có mạch vòng, không
chứa N. Theo Muller G. (1964) [43], thì ñơn vị hoá học cơ bản của ligin là
các gốc sau:

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


10
Gốc Guiacyl Gốc Piperonyl Gốc Syringyl



Các mạch nhánh:


Lignin là hợp chất khó phân giải. Ở ñiều kiện hảo khí, lignin bị nấm
Basidiomycetes và Ascomycetes phân giải. Vi khuẩn hầu như không có khả
năng phân giải lignin, trừ trường hợp lignin trong lá thì vi khuẩn có thể phân
giải ñược. Sự phân giải bắt ñầu từ mạch nhánh ñến nhóm cacboxyl, nhóm
methoxyl, nhóm OH. Sau ñó các liên kết ñôi và mạch vòng bị phá vỡ. Các
bước tiếp theo của quá trình phân giải tương tự như hydratcacbon.
2.2.3. Sự phân giải hợp chất hữu cơ chứa N
Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chưa N có sự tham gia của vi
khuẩn, nấm và hàng loạt enzim. Sau quá trình khử amin thì NH
3
và axit béo

ñược giải phóng. Sau ñó, tương tự như trường hợp của hydrocacbon, ở ñiều
kiện hảo khí sẽ khoáng hoá thành CO
2
, NO
2
, SO
4
2-
, H
2
O. Ở ñiều kiện yếm khí
thì sẽ phân giải thành CH
4
, CO
2
, H
2
H
2
S, NH
3
, R – COOH, RNH
2
, RSH…
Sự phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hoá năng lượng ở ñiều kiện
yếm khí ñược Nêu, H. U. (1985) [44] mô tả một cách chi tiết hơn theo sơ
ñồ hình 2.2

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

11
ChÊt h÷u c¬
C COOHH
3
C
O
2ATP 2NADH2
2NAD
2Fd
2FdH2
2ATP
2Fd
2FdH2
2H2
CH4
2CH3COOH
ATP
2CH4
2CO2
8H2
2ATP
2CO2 CO2
2H2
ATP
CO2

Hình 2.2: Quá trình phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng ở
ñiều kiện yếm khí. Theo Neue, H. U. 1985[44]
Như vậy, từ các chất hữu cơ cơ bản trong tự nhiên, qua quá trình phân

huỷ và sản phẩm cuối cùng là CO
2
, CH
4
, H
2
O, axit hữu cơ và H
2
. Tuỳ ñiều
kiện môi trường, yếm khí hay hảo hí mà sản phẩm cuối cùng là CO
2
hay CH
4
.
Nguồn gốc hình thành CH
4
không những qua quá trình phân huỷ xác
thực vật mà còn có nguồn gốc phân huỷ ñộng vật. Quá trình phân huỷ xác
ñộng vật ñể hình thành CH
4
tương tự như phân huỷ chất ñạm ñược trình bày ở
trên. Như vậy, quá trình hình thành CH
4
qua sự phân giải chất hữu cơ không
phải là một quá trình hoá học thuần tuý là một quá trình sinh hoá tổng hợp, có
sự tham gia của vi sinh vật.
2.2.4. Vi sinh vật và sự hình thành CH
4

Ch

ất hữ
u cơ

Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


12
Khí CH
4
tạo ra từ ñất có liên quan chặt chẽ tới hoạt ñộng của các vi
sinh vật. Khí này ñược tạo ra do các phản ứng kỵ khí, với sự tham gia của các
vi khuẩn chủ yếu sau:
Methenobacterium, Methanbrevibacter, Methanococcus,Methanomicrobium,
Methanospirillum, Methanogenium, Methanoplanus, Methanotermus,
Methanotrix, Methanolobus, Methanococoides, Methanosarcina.
Việc tạo ra khí CH
4
, sau ñó là nguồn năng lượng cho các vi sinh vật
nêu trên hoạt ñộng và chúng ñược gọi là các vi khuẩn sinh metan. Trong ñó,
chỉ có ba nhóm hợp chất có thể ñược sử dụng bởi các vi khuẩn sinh CH
4
là:
H
2
+ CO
2
; formiat, axetat, methanol và metylamid. Khi các chất này ñược sử
dụng bởi các vi khuẩn tạo ra metan, chúng không thể phân giải những hợp
chất hữu cơ cao phân tử trong ñất và tàn dư thực vật. Vì vậy quần thể vi
khuẩn sinh metan ñược hình thành từ quần thể vi sinh vật tạo thức ăn cho

chúng. Quần thể vi sinh vật này là mối quan hệ cộng sinh ñặc trưng
(Эаварзин Г. А. 1984) [74].
Các chất hữu cơ ban ñầu có cấu tạo phức tạp. Trong quá trình phân giải
có tác ñộng của các quá trình hoá lý và sinh học, trong ñó có sự tham gia của
hàng loại vi khuẩn như nhóm phân giải xenluloza…phân huỷ các chất này
thành những chất hữu cơ ñơn giản như ñường, protein, xelluloza hay
hemixenluloza…và dưới tác ñộng của các nhóm vi khuẩn sinh metan sẽ hình
thành CH
4
. Quá trình này còn gọi là quá trình lên men CH
4
. ðể chuyển ñổi
một chất hữu cơ ñơn giải cần 2 hay nhiều nhóm vi khuẩn metan. Do ñó, quá
trình hình thành CH
4
thực chất là quá trình sinh học hoá, ở những giai ñoạn
nhất ñịnh, cũng có thể gọi là quá trình sinh học hình thành CH
4
(Alexander
M. 1977)[6].
Các vi khuẩn kị khí tạo ra CH
4
không

thể sử dụng hydrocacbon và các
amino axit có sẵn. Glucoza và các loại ñường không ñược lên men bởi các
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


13

biện pháp nuôi cấy vi khuẩn thuần túy, các polysacarit cũng có thể kháng cự
ñược sự tấn công của các vi khuẩn là những axit như axit focmic, axit axetic,
axit propyonic, n-butyric và n-valeric và các loại rượu như methanol, ethanol,
n-isopropanol, n-pentanol…
Tuy nhiên, trong tự nhiên sự xáo trộn của hệ ñộng thực vật diễn ra rất
phổ biến, nhiều hợp chất tham gia vào sự lên men tự nhiên ñể hình thành CH
4
.
Tuy nhiên, sự chuyển ñổi của ñường, protein, xenluloza và hemixenluloza
thành CH
4
cần hai hay nhiều hơn các nhóm vi sinh vật khác nhau.
Cũng theo Alexander M. (1977) [6] thì cách lên men này của axetat là
sự khử cacboxyl. Không chỉ gốc metyl của axetat chuyển thành CH
4
mà còn
cả những phân tử H
2
kết hợp với C tạo thành CH
4
có biểu diễn bằng một chuỗi
các phản ứng hoá học như sau:
CO
2
+ 4H
2

→
CH
4

+ 2H
2
O
4HCOOH
→
CH
4
+ 3H
2
O + 2H
2
O
CH
3
COOH
→
CH
4
+ CO
2

2CH
3
CH
2
OH
→
3H
2
O + CO

2

Sản phẩm chính của quá trình này là phân tử ñơn giản như CO
2
, CH
4

Cơ chế phổ biến của sự tạo thành CH
4
làm giảm CO
2
. ðó là chất hữu
cơ ñơn giản sau lên men và CO
2
bị sử dụng như một tác nhân electron. Nếu
CO
2
không ñược cung cấp cho quá trình lên men vi sinh vật, nó ñược cung
cấp trong quá trình phân huỷ xác ñộng vật và quá trình tiếp theo bị giảm ñi.
Cũng có ý kiến cho rằng một trong hai quá tình sau: Giảm CO
2
hoặc
chuyển các gốc metyl thành CH
4
trong ñất. Tuy nhiên, trong một nghiên
cứu về ñất ngập nước, có một lượng lớn CH
4
ñược tạo thành từ gốc metyl
của axit exetic, như phản ứng CH
3

COOH
→
CH
4
+ CO
2
, nhưng cũng có
một lượng khác tạo thành do giảm thải CO
2
như phản ứng: 4H
2
+ CO
2

→
4R + CH
4
+ 2H
2
O.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


14
Các chất trung gian của quá trình chuyển từ CO
2
thành CH
4
chưa
ñược tìm ra. Chỉ biết rằng, các enzim từ tế bào của các vi khuẩn metan yếm

khí có thể xúc tác cho quá tình chuyển HCOOH, HCHO và CH
3
OH thành
CH
4
. ðây là một quá trình chuyển hoá phức tạp với các chất hữu cơ khác
theo trình tự sau:
CO
2
+ RH
→
RCOOH
→
RCHO
→
RCH
2
OH
→
RCH
3

→
CH
4

→
RH
Tóm lại: sự hình thành CH
4

liên quan mật thiết với hoạt ñộng sống của
vi sinh vật kị khí.
2.2.5. Sự oxi hoá CH
4

Cũng như các chất hữu cơ khác, CH
4
ñược hình thành và cũng bị biến
ñổi dưới hiều hình thức, trong ñó có quá trình oxi hoá. Sự oxy hoá một phần
khí CH
4
trong tự nhiên ñể chuyển thành CO
2
do nhóm vi sinh vật ñặc biệt,
nhóm vi khuẩn hảo khí methanotrophs, sử dụng metan như là nguồn dinh
dưỡng và lấy năng lượng. Chúng sử dụng oxy trong không khí ñể oxy hoá
metan dưới tác dụng của enzym, vì vậy người ta thường thấy chúng tập trung
ở tầng mặt vì ở ñây chúng có ñủ oxy không khí và khí CH
4
cung cấp.
Trong ñất lúa ngập nước, phân tử oxy bị sử dụng nhanh và giảm nồng
ñộ sau khi ñất bị ngập nước. Oxy chỉ tồn tại ở phần lớp rất mỏng bên trên của
tầng ñất lúa hoặc ở xung quanh vùng rễ trong suốt thời kỳ ngập nước. Bởi
vậy, trong quá trình oxi hoá CH
4
, O
2
ñược sử dụng và thải ra CO
2
. Tại quá

trình này, mỗi phân tử CH
4
mất ñi cần có 2 phân tử O
2
theo phản ứng diễn ra
như sau:
CH
4
+ 2O
2

→
CO
2
+ 2H
2
O
Theo Alexander M. (1977) [6], có hai quan ñiểm khi xem xét vai trò
của quá trình oxi hoá CH
4
. Một là lượng CH
4
nhất ñịnh bị tiêu thụ bởi các vi
khuẩn thuộc nhóm Methanotrophs gồm: Methylomonas, Methylococcus,
Methylosimus, Methylobacter và Methylocystis. Ngoài ra, một số loại vi
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


15
khuẩn oxy hoá CH

4
khác cũng nhận biết. Quan ñiểm thứ hai là các vi sinh vật
dị dưỡng khác có thể oxi hoá CH
4
. Những vi sinh vật này ña số là họ
Mycobacterium, sử dụng CH
4
như các hydrocacbon làm nguồn các bon. Quá
tình oxy hoá CH
4
bởi vi khuẩn cũng là một quá tình phức tạp và có thể hình
dung theo trình tự sau:
CH
4
>CH
3
OH>HCHO>HCOOH>CO
2

Như vậy, CH
4
hình thành sẽ biến ñổi tuỳ theo ñiều kiện môi trường,
trong ñó vai trò của vi sinh vật là quan trọng. Nó không những tham gia vào
sự hình thành mà còn tham gia vào sự chuyển hoá của CH
4
.
2.2.6. Thế oxy hoá/khử (Eh) và sự hình thành CH
4

Bên cạnh sự phụ thuộc của vi sinh vật, sự tạo thành và chuyển hoá của

CH
4
gắn liền với hàng loạt quá tình oxy hoá khử sinh học. Khi khử C thành
CH
4
thì có phản ứng oxy hoá khử tham gia, nó cần có chất khử, chất này ñã
ñược cung cấp bởi sắt hoặc mangan. Oxy hoá Fe
2+
thành Fe
3+
và Mn
2+
thành
Mn
4+
. ðây có thể là quá tình chính ñể tạo ra khí CH
4
trong ñất. Những chất
dễ tiêu này có mặt trong quá tình oxi hoá tạo cho ñất ñiều kiện lý tưởng ñể
các vi sinh vật metan hoá hoạt ñộng. Lưu huỳnh ñóng một vai trò trong quá
trình sinh ra khí metan ở một số nhóm ñất giàu lưu huỳnh và là nhân tố quan
trọng nhất trong loại ñất Thionic Fluvisols.
Ví dụ sau, các chất ñược tạo ra do phản ứng oxy hoá khử ñược ñề xuất
bởi Kaurichev và Orlov (Kaypичeв, Opлoв, 1982) [75] phản ứng chất khử
Fe
2+
thành chất oxy hoá và tạo thành metan và hematit (1) và gơtit (2).
C
4+
+ 2FeO + H

2
O + 2H
+
+ 2e
-

→
CH
4
+ Fe
2
O
3
(1)
C
4+
+ 2FeO + H
2
O + 3H
+
+ 3e
-

→
CH
4
+ FeOOH (2)
ðể thấy rõ hơn sự hình thành của CH
4
trong mối liên quan ñến Eh, pH

và so sánh với các hệ oxy hoá khử khác nhau ñược thể hiện ở hình 2.3.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


16
Theo Yu – tian – ren (1985) [70], CH
4
ñược hình thành khi thế ôxy hoá
khử từ -200 mV ñến – 300 mV. Thế ôxy hoá khử phụ thuộc vào thời gian
ngập nước, theo Ponnamperuma F. N. (1985) [52] thì các giá trị trên có thể
gặp sau khi ñất ngập nước khoảng sau 30 ngày.

Hình 2.3: Giảm ñồ ổn ñịnh của các hệ oxy hóa-khử
phụ thuộc vào Eh và pH
Sự xuất hiện của electron làm tăng quá trình khử. Khi vùi rơm thì Eh
giảm mạnh. Bởi vì rơm có tỉ lệ C/N cao, cấu trúc khó phân giải, ñể phân giải
ñược chất hữu cơ ngày vi sinh vật cần nhiều ôxy, do ñó nhanh chóng tạo ra
môi trường yếm khí (khử).
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….


17
Ngược lại, khi bón phân vô cơ (ñạm urê) dù ở dạng nào cũng chuyển
thành NO
3
-
mang tính ôxy hóa nên hạn chế quá trình khử. Bởi vì NO
3
-
là chất

nhận electron ñể khử, quá tình trên có giải phóng ra NO
2
là chất khử, nhưng
chỉ xảy ra trong giai ñoạn ngắn sau ñó bị khử tiếp và chuyển hoá thành N
2

theo phản ứng:
NO
3
-
+ 6H
+
+ 5e
-
= 1/2N
2
+ 3H
2
O
Những kết quả trên cho thấy, khi ñất trồng lúa ngập nước, ngoài yếu tố
về thời gian ngập nước, thì chế ñộ bón phân cũng ảnh hưởng ñến ñộng thái
của Eh. Bón phân vô cơ như ñạm hạn chế quá trình giảm Eh. Trong khi ñó,
bón phân hữu cơ làm tăng qúa trình giảm Eh ở những trường hợp này thường
ñạt ngưỡng của sự hình thành CH
4
. ðồng thời bón phân hữu cơ chính là sự
cung cấp nguồn vật chất ñể hình thành CH
4
. Từ những dẫn liệu trên có thể
thấy sự hình thành CH

4
phụ thuộc vào thế ôxy hoá khử. ðại lượng này lại phụ
thuộc rất lớn vào chế ñộ nước và phân bón.
2.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí metan CH
4

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phát thải như: chế ñộ nước,
phân bón, tính chất ñất, quá trình sinh trưởng của cây lúa có ảnh hưởng ñến
Eh. Khi ñộng thái của Eh thay ñổi thì sự phát thải của CH
4
cũng thay ñổi theo.
Nói cách khác, những yếu tố ảnh hưởng ñến Eh cũng chính là yếu tố ảnh
hưởng ñến sự phát thải của CH
4
. Vấn ñề này trong những năm gần ñây cũng
ñược nhiều tác giả nghiên cứu.
2.3.1. Ảnh hưởng của chế ñộ nước và phân bón ñến sự phát thải CH
4

Nước trên mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ không
khí vào ñất nên ngăn cho quá trình oxi hóa chất hữu cơ của ñất, kết quả là các
chất hữu cơ này lên men yếm khí và tạo ra khí CH
4
(Ferry, 1992) [16]. Vì
vậy, chế ñộ nước trên ruộng lúa cũng là nguyên nhân dẫn tới sự phát thải khí
CH
4
. Sự phát thải CH
4
phụ thuộc vào một số yếu tố như quản lý, ñiều tiết chế