Ảnh hưởng của chế độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa –khử, độ ph và phát thải mêtan ở đất trồng lúa thuộc xã kim chung, huyện hoài đức hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----------------------

NGUYỄN VĂN ĐỊNH

ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ NGẬP NƯỚC ĐẾN
ĐỘNG THÁI THẾ ÔXI HOÁ - KHỬ, ĐỘ pH VÀ PHÁT THẢI
MÊTAN Ở ĐẤT TRỒNG LÚA THUỘC XÃ KIM CHUNG HUYỆN HOÀI ĐỨC - HÀ NỘI

Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 85 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. VĂN HUY HẢI

Hà Nội – 2010


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và dưới sự chỉ bảo tận tình của TS. Văn Huy
Hải, luận văn của tôi đã hoàn thành. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc tới TS. Văn Huy Hải, khoa Môi trường - trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Môi trường - Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu tại trường.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong phòng Sau đại học –Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Việt Anh, chủ nhiệm đề tài “ Nghiên
cứu chế độ tưới thích hợp cho lúa nhằm giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong
điều kiện không làm giảm năng suất lúa” đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá
trình thực hiện thí nghiệm trong phòng và ngoài đồng ruộng.
Cuối cùng tôi xin gửi đến gia đình, bạn bè những người đã động viên giúp
đỡ tôi trong quá trình thực tập, nghiên cứu cũng như trong thời gian thực hiện đề
tài lời cảm ơn chân thành nhất.
Hà Nội, ngày 10/10/2010
Học viên

Nguyễn Văn Định


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….……1
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................5
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..........................................3
1.1. Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước...........................................................3
1.2. Các tính chất điện hóa của đất lúa nước......................................................................5


DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................5
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..........................................3
1.1. Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước...........................................................3
1.2. Các tính chất điện hóa của đất lúa nước......................................................................5

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Động thái của Eh theo Ponnamperuma,F.N(1985).....................................9
Hình 1.2 Động thái của Eh và các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C.............9
Hình 1.3 Động thái pH ở một số loại đất khi ngập nước theo
Ponnamperuma,F.N(1985).........................................................................................11
Hình 1.4 Sơ đồ phân hủy xenlulo...............................................................................14
Hình 1.5 Sơ đồ phân giải các hợp chất hữu cơ chứa N.............................................15
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................5
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..........................................3
1.1. Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước...........................................................3
1.2. Các tính chất điện hóa của đất lúa nước......................................................................5


CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐƠN VỊ
BĐKH

Biến đổi khí hậu

ĐBSH

Đồng bằng sông Hồng

IPCC

Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu

IRRI

Viện nghiên cứu lúa quốc tế

KNK

Khí nhà kính

UNFCCC

Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu

KP

Nghị định thư Kyoto

Eh

Thế ôxi hóa khử

CT

Công thức thí nghiệm

ĐC

Công thức đối chứng

NTX

Ngập nông thường xuyên

NLP

Nông lộ phơi

PA1, PA2, PA3

Các phương án thí nghiệm ứng với chế độ nước khác nhau

GĐST

Giai đoạn sinh trưởng

ppm

Phần triệu thể tích(khối lượng, số hạt…)

ppb

Phần tỷ thể tích (khối lượng số hạt…)

Gg CO2

Nghìn tấn cacbonic

Tg CO2

Triệu tấn cacbonic

Pg CO2

Tỷ tấn cacbonic


MỞ ĐẦU
Trồng lúa nói chung và trồng lúa nước nói riêng là hệ sinh thái nhân tạo.
Như I.Watanabe và P.A.Roger (1985) đã nhận định: đây là hệ sinh thái bất ổn định
do môi trường bị phá hủy thường xuyên, những nghiên cứu về nước ngập đến động
thái của một số nguyên tố hóa học ở môi trường đất còn ít được chú ý. Mặt khác,
như nghị định thư Kyoto đã đề cập, sản xuất nông nghiệp đặc biệt là trồng lúa nước
cũng có tham gia gây nên hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, vấn
đề trồng lúa gây nên phát thải khí mêtan (CH 4) cũng còn chưa được nghiên cứu rõ
ràng, đặc biệt là ở điều kiện của Việt Nam.
Eh, pH là những tính chất hóa học quan trọng và thường được nhắc tới khi
nghiên cứu về môi trường đất, nhưng trong các tài liệu nghiên cứu, nhất là ở Việt
Nam, thường chỉ đề cập ở một thời điểm nhất định. Trong khi đó các chỉ tiêu trên
luôn biến động mạnh theo sự biến động của các yếu tố môi trường, đặc biệt là chế
độ nước ngập. Để đánh giá được các thông số trên, cần nghiên cứu động thái của
chúng theo thời gian và tác động của các yếu tố môi trường, kể cả tác động của các
biện pháp bón phân trong sản xuất lúa.
Đặc biệt cần nhấn mạnh rằng, Eh và pH là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh
giá môi trường đất và nước. Có thể nói đây là hai chỉ tiêu quyết định đến sự tồn tại
và chuyển hóa của hàng loạt các nguyên tố hóa học ở môi trường đất và nước. Nắm
bắt được động thái của chúng giúp cho việc đánh giá nhiều nguyên tố hóa học đầy
đủ và chính xác hơn, đặc biệt là những nguyên tố kim loại nặng như Fe và Mn.
Giữa sự hình thành CH4 và Eh có mối liên hệ mật thiết. Bởi vì CH 4 được
hình thành ở điều kiện yếm khí, Eh thấp. Mối liên hệ này còn ít được nghiên cứu ở
Việt Nam. Như trên đã đề cập, trồng lúa gây nên sự phát thải CH 4, nhưng vai trò
của cây lúa như thế nào trong quá trình phát thải CH 4 còn là một câu hỏi khó giải

đáp không phải ở Việt Nam mà còn ở bình diện quốc tế.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, đề tài nghiên cứu : “ Ảnh hưởng của chế
độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa –khử, độ pH và phát thải mêtan ở đất trồng

1


lúa thuộc xã Kim Chung, huyện Hoài Đức- Hà Nội” đã được đặt ra với mục tiêu sau
đây:
 Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái của Eh.
 Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái pH.
 Xác định ảnh hưởng của chế độ nước và vai trò của cây lúa đến động thái
phát thải CH4.
 Đề xuất biện pháp hạn chế phát thải CH4 khi trồng lúa nước.

2


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước
Ruộng lúa nước là hệ sinh thái nhân tạo thường xuyên bị xáo trộn bởi thói
quen canh tác như nhổ cỏ, làm đất, tưới tiêu, bón phân, trồng cấy, các biện pháp bảo
vệ thực vật….và các hiện tượng tự nhiên như mưa. Từ đó dẫn đến sự bất ổn định và
những biến động trong một khoảng thời gian ngắn (chu kỳ mùa vụ).
Cấu trúc của hệ sinh thái ruộng lúa lúa nước: Hệ sinh thái ruộng lúa nước
gồm 5 tiểu hệ sinh thái chủ đạo sau: nước ngập, tầng đất bị ôxi hóa bề mặt, tầng đất
bị làm ngàu bùn khử (kỵ khí), tầng đất cái (bị ôxi hóa trong điều kiện thoát nước tốt
hoặc bị khử khi biểu nước cao), thân cây lúa và lá (bị ngâm trong nước) và hệ rễ cây.
Sự biến đổi chất dinh dưỡng trong đất lúa ngập nước là chủ đề chính của các nghiên
cứu thổ nhưỡng học về các loại đất này.

Tầng nước ngập và bề mặt phân cách giữa đất và nước : Trong các cánh
đồng được tưới tiêu, tầng nước ngập là môi trường oxicphotic. Sự chuyển tiếp giữa
các tầng nước ngập và đất khử anoxic – aphotic được hình thành bởi tầng ôxi hóa
đất – nước. Tầng nước ngập và tầng ôxi hóa hình thành bởi tầng ôxi hóa đất – nước.
Tầng nước ngập và tầng ôxi hóa hình thành nên một hệ sinh thái liên tục ở đó xảy ra
4 cơ chế liên quan đến độ phì như sau:
 Cố định nitơ sinh học.
 Mất N do sự bay hơi NH3 – liên quan đến hoạt động quang hợp của thực vật
và quá trình khử nitrat và nitrat hóa.
 Bẫy bắt và quay vòng vật chất hữu cơ (C) do quang hợp và các loại muối
khoáng được giải phóng từ đất và phân bón.
 Sự lưu chuyển các chất dinh dưỡng từ đất đến nước nhờ thực vật phù du và
sinh vật tiêu thụ sơ cấp.
Cường độ những phản ứng này liên quan trực tiếp đến các đặc tính của tầng nước
ngập và hoạt động của thực vật.
Hóa học về tầng nước ngập: tính chất hóa học của nước đứng phụ thuộc cơ
bản vào tính chất nước và đất. Tuy nhiên thành phần hóa học của nó biến đổi đáng
kể trong suốt chu kỳ mùa vụ và ở các vị trí khác nhau liên quan đến :

3


 Sử dụng phân bón.
 Những xáo trộn cơ học đất, gây ra sự phân tán các phần tử nhỏ trong nước.
 Sự hòa tan do nước mưa và nước tưới.
 Hấp phụ bề mặt đất.
 Sự phát triển của cây lúa.
Sự biến đổi hàng ngày xảy ra chủ yếu do hoạt động của sinh vật quang hợp và
gây ra sự biến đổi lớn về sự hòa tan khí O 2,CO2 và pH. Khi thực vật phát triển biến
đổi hàng ngày trở nên kém rõ rệt hơn vì sự che bóng của tán cây.

Chu trình dinh dưỡng:
Carbon và nitơ: Thực vật quang hợp (sinh khối quang hợp) đồng hóa CO 2
(CH4 sau khi bị ôxi hóa thành CO2) thoát ra từ đất và trở lại dưới dạng tế bào tảo và
cỏ thủy sinh, bởi vậy cần ngăn việc mất chất hữu cơ dưới dạng CO 2. Tương tự cũng
cần ngăn chặn việc mất NH3 hòa tan trong đất ngập nước.
Phốt pho: đa số phốt phát hòa tan sử dụng trong đất ngập nước được cố định
trong pha rắn của đất. Rất ít tồn tại trong tầng ngập nước. Việc lưu chuyển phốt pho
từ đất sang nước đứng gồm 3 cơ chế:
 Sự xáo trộn cơ học trong đất do biện pháp chăm sóc.
 Sự phân tán từ đất.
 Hoạt động của thực vật phù du và động vật.
Đất khử: hệ đất khử hầu hết mới chỉ được nghiên cứu như một hệ tách biệt.
Vùng nước ngập phía trên và sự trao đổi vật chất với vùng nước ngập thường bị bỏ
quên trong các nghiên cứu trên. Vì vậy trong nghiên cứu này tương tác giữa hai hệ
(đất khử và nước ngập) được xem xét kỹ. Hệ đất khử chúng ta đặc biệt chú trọng
đến dòng vào chất hữu cơ đó là :
 Rễ và phần rơm rạ sót lại sau thu hoạch.
 Vật chất mà rễ lúa tiết ra trong suốt quá trình sống.
 Các loại cỏ (thực vật nổi bậc cao).
 Tảo (thực vật nổi bậc thấp).
 Xác vi sinh vật đất.
 Bón phân chuồng.

4


Đất giàu chất hữu cơ như trên trong điều kiện ngập nước sẽ làm giảm Eh, tạo điều
kiện thuận lợi để hình thành CH4.
1.2. Các tính chất điện hóa của đất lúa nước
1.2.1. Động thái của thế ôxi hóa - khử ở đất ngập nước

a. Cơ sở lý thuyết về thế ôxi hóa – khử
Theo Trần Ngọc Lan (2008)[4], trong tự nhiên, quá trình các axit hòa tan các
khoáng vật, các ion kim loại hòa tan trong nước thủy phân hình thành các hidroxit và
nhiều quá trình khác là các quá trình axit – bazơ liên quan đến sự chuyển dịch ion H +
(hoặc 0H-). Trong đất luôn tồn tại chất ôxi hóa và chất khử, nên quá trình ôxi hóa- khử
xảy ra phổ biến, chất ôxi hóa là những chất có khả năng nhận electron, chất khử là những
chất có khả năng cho electron.
Mỗi chất ôxi hóa sau khi nhận electron trở thành chất khử gọi là chất khử
liên hợp với nó.
Mỗi cặp ôxi hóa - khử liên hợp có thể biểu diễn bằng hệ thức:
- Ox: là chất ôxi hóa
Ox + ne = Kh

- Kh: chất khử liên hợp với chất ôxi hóa

- ne: số electron mà Ox nhận để thành Kh
Chất ôxi hóa
Fe3+ + 1e
Mn4+ + 2e
Mn3+ + 1e
Cl2

+ 2e

Chất khử
Fe2+

<= =>

Mn2+

<= =>

Mn2+

<= =>

2Cl-

<= =>

Như vậy phản ứng ôxi hóa khử là phản ứng giữa chất ôxi hóa và khử có sự
trao đổi electron. Hệ thống ôxi hóa – khử được ký hiệu là Redox. Trong đất những
chất ôxi hóa là O2; NO3-; Fe3+; Mn4+; Cu2+ và một số sinh vật hiếu khí. Chất khử là
H2, Fe2+, Cu+ và vi sinh vật kị khí. Quá trình ôxi hóa - khử trong đất đều có thực vật
và vi sinh vật tham gia cho nên đây là một quá trình sinh học. Trong điều kiện ôxi

5


hóa hay khử, chất hữu cơ đều bị phân giải, tuy nhiên, cường độ, sản phẩm phân giải
có khác nhau.
Thành phần chất hữu cơ

Chất ôxi hóa

Chất khử

C

CO2

CH4;CO

N

NO2

NO-3;N2;NH3

S

SO42-

H2S

P

PO43-

PH3

Fe

Fe3+

Fe2+

Mn

Mn4+

Mn3+;Mn2+

Cu

Cu2+

Cu+

Để đặc trưng cho cường độ ôxi hóa - khử của dung dịch đất thường xác định
bằng điện thế ôxi hóa – khử (kí hiệu Eh):

Eh = Eo + 59 lg([OX]/ [Kh])

(tính bằng mV)

6


Bảng 1.1 Những phản ứng ôxi hóa-khử quan trọng trong đất.
Nguồn : Pagel từ Ponnamperuma F.N. từ Rusel, E.W.(1973)[31]
Eh (mV tại 25oC)
Tại pH = 5
Tại pH = 7

Hệ ôxi hóa khử
1.O2 + 4H+ + 4e = H2O
Eh = 1,23 + 0,0148 log P(O2) – 0,059 pH

930

820

530

420

640

410

170

-180

-70

-220

Eh = 0,17 – 0,095 log P(CH4)/P(CO2) – 0,059 pH

-120

-240

7.2H+ + 2e = H2 Eh = 0,00- 0,059pH

-295

-413

2.NO3- + 2H+ + 2e = NO2- + H2O
Eh = 0,83 – 0,0295 log NO2- / NO3- – 0,059 pH
3. MnO2 + 4H+ + 2e = Mn2+ + 2H2O
Eh = 1,23 – 0,0295 log Mn2+ – 0,059 pH
4.Fe(OH)3 +3H+ + e = Fe2+ + 3H2O
Eh = 1,06 – 0,059 log Fe2+ – 0,177 pH
5. SO42- + 10H+ + 8e = H2S + 4H2O
Eh = 0,30 – 0,0074 log H2S/ SO42- – 0,074 pH
6.CO2 + 8H+ + 8e = CH4 + 2H2O

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ôxi hóa - khử: Trong dung dịch đất
có chứa nhiều hệ thống ôxi hóa – khử (Redox) với nồng độ khác nhau. Nồng độ
chất ôxi hóa và khử của một hệ thống nào cao nhất sẽ quyết định điện thế ôxi hóa –
khử (Eh) của môi trường.
- Nồng độ ôxy trong không khí đất, ôxy hoà tan trong dung dịch đất và các
bài tiết của vi sinh vật quyết định Eh của dung dịch đất.
- Độ ẩm thay đổi làm thay đổi Eh của đất. Khi đất ẩm nhiều quá trình khử
mạnh, do đó Eh giảm. Ngược lại đất khô, quá trình ôxi hoá mạnh, Eh tăng.
- Phản ứng của dung dịch đất cũng ảnh hưởng đến Eh: Clark đã đưa ra chỉ
số rH2: chỉ số phản ánh sự tương quan giữa Eh và pH.
rH2 = Eh/30 + 2 pH
rH2 = 28 – 34: đất thoáng
rH2 =22 – 25: là đất yếm khí

7


rH2 <20: đất glây

rH2 =27: đất trung bình.
Các biện pháp canh tác, hay tác động vào đất khác nhau cũng làm thay đổi
Eh như: cày sâu, bón phân hữu cơ, tưới… hay các chất khác đưa vào đất.
b. Động thái của thế ôxi hóa khử
Thế ôxi hóa – khử của đất có thể dao động từ - 0,4 đến 0,8 V. Ở đất háo khí
thế ôxi hóa – khử dao động trong khoảng 0,4 đến 0,8 V, ở đất ngập nước định kỳ
thế ôxi hóa – khử dao động trong khoảng -0,1 đến 0,1V, ở đất ngập nước lâu ngày
thế ôxi hóa – khử dao động trong khoảng – 0,3V.
Theo A.I.perenman (từ Trần Ngọc Lan,2008[4]) : Môi trường ôxi hóa : Eh >
0,15V ~ 0,3(0,4)V giàu ôxy tự do và các chất ôxi hóa khác; Môi trường khử không
có H2S: Eh < 0 (đôi khi > 0) rất nghèo ôxy tự do nhưng giàu tàn tích hữu cơ, khí
mêtan và các thành phần có hóa trị thấp khác như Fe II, MnII; Môi trường khử có
H2S: Eh < 0(đôi khi > 0), không có ôxy tự do, giàu H2S và có sunfat.
Để thuận tiện trong nghiên cứu môi trường có thể phân chia chi tiết hơn như
sau(theo Patrick và Mahapatra (1968) [18]):
Loại đất

Thế ôxi hóa-khử (mV)

Ôxi hóa (thoát nước tốt)

+700 → +500

Khử trung bình

+400 → +200

Khử

+100 → -100

Khử mạnh

-100 → -300

8


Thời gian ngập nước (ngày)
Hình 1.1. Động thái của Eh theo Ponnamperuma, F.N(1985)[19]
Eh phụ thuộc vào thời gian ngập nước và tính chất của đất. Hình 1.1.b trên
cho thấy cùng thời gian ngập nước như nhau nhưng nếu đất giàu chất hữu cơ (mẫu
đất số 9) thì sau khi ngập nước, Eh giảm nhanh và thấp nhất. Trường hợp này người
ta còn gọi là hiện tượng “ rơi” ( tiếng anh – Fall) của Eh. Hiện tượng này cũng được
Văn Huy Hải (1986) [28] nghiên cứu và giải thích.

Số ngày ngập nước
Hình 1.2. Động thái của Eh và các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C
Nguồn: Văn Huy Hải (1986) [28]

9


Đồ thị tại hình 1.2 cho thấy phương án bón phân chuồng và bón rơm có thế
ôxi hóa khử giảm mạnh nhất. Quá trình trên được tác giả giải thích theo phản ứng:
(CH2O)x + O2 = xCO2 + xH2O
2H2O = O2 + 4H+ + 4e
Sự xuất hiện của electron làm tăng quá 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 được chất hữu
cơ này vi sinh vật cần nhiều ôxy, do đó nhanh chóng tạo ra môi trường yếm khí (khử).

Ngược lại khi bón phân vô cơ (đạm urê) dù ở dạng nào cũng phân hóa thành
N03- mang tính ôxi hóa nên hạn chế quá trình khử. Bởi vì, NO 3- là chất nhận
electron để khử, quá trình trên có giải phóng ra N0 2- là chất khử, nhưng chỉ xảy ra
trong giai đoạn ngắn sau đó bị khử tiếp và chuyển hóa thành N2 theo phản ứng:
NO3- + 6H+ + 5e = ½ N2 + 3H20
Những kết quả trên cho thấy, khi đất trồng lúa ngập nước, ngoài yếu tố về
thời gian ngập nước, thì chế độ bón phân cũng có ảnh hưởng đến động thái của Eh.
Bón phân vô cơ như đạm hạn chế quá trình giảm Eh. Trong khi đó, bón phân hữu
cơ làm tăng quá trình giảm Eh và giá trị Eh ở những trường hợp này thường đạt
ngưỡng của sự hình thành CH4. Đồng thời bón phân hữu cơ chính là sự cung cấp
nguồn vật chất để hình thành CH4.
1.2.2. Động thái của pH ở đất ngập nước
Khi đất háo khí bị ngập nước, pH của nó giảm trong vài ngày đầu tiên, đạt
mức tối thiểu, và sau đó tăng lên đường tiệm cận đạt giá trị khá ổn định trong vài tuần
sau đó pH = 6,7 – 7,2 theo tỉ lệ 1: 1 huyền phù đất nước (theo tỉ lệ 1:1 hỗn hợp các
hạt đất mịn không lắng trong nước) hoặc pH = 6,5-7,0 trong dung dịch đất. Toàn bộ
ảnh hưởng của sự ngập nước làm tăng pH của đất axit và giảm pH của đất sodic và
đất đá vôi. Do đó việc ngập nước làm ảnh hưởng tới pH của tất cả các loại đất trừ các
bãi than bùn có tính axit và những ảnh hưởng này đến trạng thái hoạt động của Fe
thấp khi pH tiến tới 7 (hình1.3). Nhiệt độ thấp làm trì hoãn sự thay đổi pH.
Sự tăng pH của phần lớn các loại đất khoáng axit là do sự khử Fe(III) thành
Fe(II) và có thể được mô tả bằng :
Eh = 1,06 – 0,059 log Fe2+ - 0,177pH

10


Hoặc pE = 17,87 + pFe2+ - 3pH
Sự giảm pH của đất kiềm là do sự tích lũy CO2 và được đưa ra bởi:
pH = 6,0 – 2/3 log pCO2 đất đá vôi

pH = 7,85 + log [HCO3-] – log pCO2 đất sodic

Hình 1.3. Động thái pH ở một số loại đất khi ngập nước theo
Ponnamperuma, F.N.(1985) [19]
Các động thái của giá trị pH ở một vài loại đất ngập nước: pH của đất ngập
nước ảnh hưởng rõ ràng đến nồng độ của các chất dinh dưỡng và các chất độc thông
qua các tác động đến cân bằng hóa học, sự hấp thu vào phức hệ hấp thu, sự giải
phóng khỏi phức hệ hấp phụ, sự bay hơi NH 3 và các quá trình của vi khuẩn làm giải
phóng hoặc phá hủy các chất dinh dưỡng của thực vật sinh ra các chất độc.

11


Hoạt độ của Fe và Al hòa tan trong nước ở pH khác nhau:
pH

Al(μmol/l)

pH

Fe(μmol/l)

3.5

2600

6.5

6200

4.0

260

7.0

320

4.5

26

7.5

6.2

5.0

2.6

8.5

0.62

Các hình này chỉ ra nồng độ độc của Al ở pH dưới 4,5 .Như vậy, các giá trị
của pH được bắt gặp trong đất đất phèn hoặc vừa mới bị ngập nước và đất chua ở
miền núi. Lợi ích của sự làm ngập nước đất lúa là nó gần như loại trừ tính độc của
Al, nhưng tính độc của Fe là có khả năng xảy ra ở hầu hết đất khoáng mà không đạt
được pH vượt quá 6,5 sau khi làm ngập lụt. Sự thiếu Fe có thể xảy ra ở đất ngập lụt
pH cao mà hàm lượng chất hữu cơ thấp.

Tính độc của CO2, các axit hữu cơ và H 2S ở pH thấp cao hơn nhiều so với ở
pH cao bởi vì nồng độ của các loại chất độc ( H 2CO3, RCOOH và H2S) tăng lên khi
pH giảm xuống.
Tăng pH ở đất axit, giảm pH ở đất đá vôi và đất sodic làm tăng hàm lượng
của P dễ tiêu. Ở pH cao và Pco2 thấp (5kPa hoặc 0,05 bar), nồng độ của Ca và Mn
có thể thấp để cho cây lúa phát triển, như được đưa ra phần tiếp sau đây:
pH

Ca(μmol/l)

Mn (μmol/l)

8,5

1,4

0,026

8,0

14

0,26

7,5

140

2,6

7,0

1400

26

Sự giảm pH của đất sodic nhờ vào sự ngập nước làm giảm bớt sự thiếu Ca và
Mn. Sự tổng hợp hay phân giải chất hữu cơ làm tăng tác dụng của sự ngập nước
mặc dù sinh ra CO2 và axit. Sự tăng pH của đất axit làm tăng tính có lợi của P và
Mo. pH ở vào khoảng 7 giúp cho sự hoạt động của vi khuẩn bởi vì các vi sinh vật
chính trong đất khử là vi khuẩn kỵ khí, thực hiện chức năng tốt nhất ở pH thuộc

12


khoảng 7. Vì vậy, sự amoni hóa, sự khử nitơ , sự khử S0 42- và sự hình thành CH4
làm cho pH thay đổi ở đất ngập nước.
Điều kiện pH tốt nhất (đo dung dịch của đất ngập nước) cho cây lúa là
khoảng 6,6. Tại pH đó sự giải phóng N và P của vi khuẩn là nhanh; các nguồn cung
cấp Cu, Fe, Mn, Mo và Zn là đẩy đủ; và nồng độ của các chất mà cản trở sự hấp thu
chất dinh dưỡng – như Al, Fe, Mn, CO2 và các axit hữu cơ, H2S là ở dưới mức độ
độc. Ở vùng nhiệt đới, đất khoáng với một hàm lượng chất hữu cơ > 2%, đạt được
pH này sau từ 2 – 4 tuần làm ngập nước. Sự trì hoãn cây lúa đến 2 tuần sau khi ngập
nước đã tăng sản lượng gần 1 tấn/ha trong mùa khô và gần 0,8 tấn/ ha vào mùa mưa
đối với gieo trồng khi làm ngập nước.
1.3. Sự hình thành và phát thải khí mêtan ở đất trồng lúa nước
1.3.1. Sự phân giải các chất hữu cơ và hình thành CH4
Khí mêtan (CH4) là một hydrocacbon có thành phần chủ yếu là cacbon và
hydro, trong đó cacbon là nguyên tố cơ bản của tất cả các vật thể hữu cơ và chu
trình sinh học của nguyên tố này thuộc về những quá trình cơ bản của thế giới sự

sống. Trong quá trình biến đổi của chất hữu cơ, tùy theo điều kiện môi trường mà
sản phẩm cuối cùng có thể là CO2, H2O, các axit hữu cơ, H2 và CH4. Đây là quá
trình biến đổi sinh học phức tạp có sự tham gia của vi sinh vật đã được nhiều tác giả
đề cập (Muller G.(1964)[29], Alexander M.(1977)[9], Pagel H.(1996)[30]). Tùy
theo nguồn gốc chất hữu cơ ban đầu, ví dụ xenlulo, lignin, hoặc chất đạm….mà quá
trình biến đổi và sản phẩm cuối cùng rất khác nhau. Có thể hình dung những quá
trình biến đổi chủ yếu như sau:
a. sự phân giải của hydrocacbon
Sự phân giải của hydrocacbon(xenlulo, tinh bột, hemixenlulo), trong đó
xenlulo là chất khó phân hủy nhất trong nhóm này. Có thể hình dung sự phân hủy
của xenlulo qua hình 1.4.
Ở điều kiện háo khí thì CO2 và H2O hình thành, ở điều kiện yếm khí thì các
axit hữu cơ, khí CH 4 và H2 hình thành. Đây là quá trình biến đổi sinh hóa phức tạp
có sự tham gia của các vi khuẩn phân giải xenlulo thuộc bộ Pseudomonadales, họ
Spirillaceac, giống Vibrio, Cellvibrio và Cellfalcicula. Bên cạnh đó còn có sự tham

13


gia của các loài nấm thuộc lớp Ascomycetes mà Myxotrichum chartarum là một đại
diện điển hình thuộc chủng Gymnoascales họ Chytridiaceac.

Xenlulo cao phân tử
Tác động của quá trình thủy
phân và tác động của Enzym
Mạch xenlulo đơn giản
Tác động của Enzym
Polysacharid
Tác động của Enzym
Monosacharid

Trao đổi chất

Sự hấp thụ qua vi
sinh vật và chu
trình axit citric

Vật thể vi
sinh vật

Khoáng hóa
Tự phân hủy
Háo khí

CO2, H2O

Yếm khí

Axit hữu cơ, CH4, H2
Hình 1.4 Sơ đồ phân hủy xenlulo
Nguồn : Pagel H (1966) [30]

b. Sự phân giải của lignin và các hợp chất tương tự

14


Trong xác thực vật có chứa nhiều hợp chất hữu cơ có mạch vòng, không
chứa N.Theo Feher, D. (từ Muller G.(1964) [29]) thì đơn vị hóa học cơ bản của
lignin là các gốc : Guajacyl, Piperonyl, Syringyl
Lignin là hợp chất khó phân giải, ở điều kiện háo khí, ligin bị nấm

Basidiomycenten 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 được. Sự phân giải bắt
đầu từ mạch nhánh đến nhóm cacboxyn, nhóm methoxyn phân giải đến nhóm 0H.
Sau đó các liên kết đôi và mạch vòng bị phá vỡ. Các bước tiếp theo của quá trình
phân giải tương tự như hydratcacbon.
c.Sự phân giải của hợp chất hữu cơ chứ N
Chất đạm

Pepton
Khử
cacboxyn
polypeptid

Amin

Khử amin

Axit amin

Axit béo

CH4

CO2

NH3

Ure

H2O

Từ
axit
Amin mạch vòng:
phenol, Krenson,
Indon, Skaton
Từ
axit
Amin
chứa
S
Mercaptan, H2S

Hình 1.5. Sơ đồ phân giải các hợp chất hữu cơ chứa N
Theo Rippel (từ Pagel,H.1996)[30] có thể hình dung quá trình phân giải các
hợp chất hữu cơ chứa N như hình 1.5.
Quá trình phân giải trên có sự tham gia của vi khuẩn, nấm và hàng loạt
enzym. Sau quá trình denaminaza thì NH 3 và axit béo được giải phóng. Tương tự

15


như trường hợp của hydro cacbon, ở điều kiện háo khí sẽ khoáng hóa thành CO 2,
NO2, SO4, H2O và các chất cặn. Ở điều kiện yếm khí thì sẽ phân giải thành CH 4,
CO2, H2, H2S, NH3, R-COOH, RNH2, RSH và chất cặn.
Sự phân hủy chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng ở điều kiện yếm khí
được Neue H.U (1985)[15] mô tả một cách chi tiết hơn theo hình 1.6.

Hình 1.6. Quá trình phân hủy chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng
(ở điều kiện yếm khí)

Nguồn : Neue H.U.(1985) [15]
Như vậy, từ các chất hữu cơ cơ bản trong tự nhiên, qua quá trình phân hủy
và sản phẩm cuối cùng là CO2, CH4, H2O, axit hữu cơ và H2. Tùy điều kiện môi
trường, yếm khí hoặc háo khí mà CO2 hoặc CH4 hình thành.

16


Số ngày ngập nước(ngày).
Hình 1.7. Đồ thị phát thải của CH4 và CO2 ở điều kiện yếm khí.
Nguồn : Moraghan và Ayotade (từ Alexander M.1977) [9].
Sự phát thải CH4, CO2 ở điều kiện ngập nước (yếm khí) như hình 1.7, theo
Moraghan và Ayotade (từ Alexander M.1977)[9].
Nguồn gốc hình thành CH4 không những qua quá trình phân hủy xác thực vật
mà còn có nguồn gốc phân hủy xác động vật. Quá trình phân hủy xác động vật để
hình thành mêtan tương tự như phân hủy chất đạm được trình bày ở trên. Như vậy,
quá trình hình thành mêtan qua sự phân giải chất hữu cơ không phải là quá trình hóa
học thuần túy, mà là một quá trình sinh hóa tổng hợp có sự tham gia của vi sinh vật
kể cả động vật.
1.3.2. Vai trò của sinh vật
Trong quá trình lên men hình thành CH4 có sự tham gia của vi khuẩn mêtan.
Các vi khuẩn tạo ra CH4 có hình thái một tế bào. Một vài loại hình que, một vài loại
hình cầu. Tất cả các vi khuẩn tạo ra CH 4, mặc dù có hình thái không giống nhau,
nhưng đều có quan hệ mật thiết với nhau về sinh hóa và được phân loại chung trong

17


một họ duy nhất là methanobacteriaceae. Họ này được chia thành hai loại khác nhau
cơ bản như: methanosarcina, methanococcus…

Các chất hữu cơ ban đầu có cấu tạo phức tạp. Trong quá trình phân giải có
tác động của các quá trình hóa lý và sinh học, trong đó có sự tham gia của hàng loạt
vi khuẩn, thí dụ như nhóm vi khuẩn phân giải xenlulo. Khi đã hình thành những
chất hữu cơ đơn giản như đường, protein, xenlulo hay hemixenlulo và dưới tác động
của các nhóm vi khuẩn mêtan sẽ hình thành CH4. Quá trình này còn gọi là quá trình
lên men mêtan. Để chuyển đổi một chất hữu cơ đơn giản cần 2 hay nhiều nhóm vi
khuẩn mêtan. Do đó quá trình hình thành CH4 thực chất là quá trình sinh hóa học, ở
những giai đoạn nhất định, cũng có thể gọi là quá trình sinh học hình thành CH4 [9].
Các vi khuẩn kị khí tạo ra CH 4 không thể sử dụng hydrocacbon và các amino
axit có sẵn. Gluco và các loại đường không được lên men bởi các biện pháp nuôi
cấy vi khuẩn thuần túy, các polysacarit cũng có thể kháng cự được sự tấn công của
các vi khuẩn là những axit như: axit formic, axit acetic, axit propionic, n-butyric và
n- valeric và các loại rượu như: methanol, ethanol, n-và isopropanol, n- và
isobutanol và n- pentanol. Tuy nhiên, trong tự nhiên sự xáo trộn của hệ động thực
vật diễn ra rất phổ biến, nhiều hợp chất tham gia vào sự lên men tự nhiên của CH 4.
Sự chuyển hóa của các chất hữu cơ đơn giản, dưới tác động của vi khuẩn
mêtan để hình thành CH4 có thể biểu diễn bằng hỗn hợp nhiều phản ứng hóa học.
Các phản ứng tiêu biểu theo Alexander, M.(1977)[9], như sau:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O
CH3COOH → CH4 + CO2
2CH3CH2OH → 3CH4 + CO2
Sản phẩm chính của quá trình này là phân tử đơn giản như CO2 , CH4.

18


1.3.3. Sự ôxi hóa mêtan
Cũng như các chất khác, mêtan được hình thành và cũng bị biến đổi dưới
nhiều hình thức, trong đó có quá trình ôxi hóa.

Trong quá trình ôxi hóa CH4, O2 được sử dụng và thải ra CO 2. Tại quá trình
này, mỗi phân tử CH4 mất đi, cần có hai phân tử O2 theo sơ đồ phản ứng:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
CH4 cũng là một chất dinh dưỡng cho vi sinh vật cùng với một vài loại khí
ga khác tham gia vào sự hình thành tế bào chất. Vai trò của vi khuẩn trong quá trình
đồng hóa này là sử dụng năng lượng được giải phóng bởi quá trình ôxi hóa cho sự
quang hợp của tế bào.
Theo Alecxander M.(1977) [9], có hai quan điểm khi xem xét vai trò của quá
trình ôxi hóa CH4. Một là lượng CH4 nhất định bị tiêu thụ bởi các loại vi khuẩn như
nhóm Methylotrophs gồm : Methylomonas, Methylosimus, Methylobacter và
Methylocystis. Ngoài ra, một số loài vi khuẩn ôxi hóa CH 4 cũng được nhận biết.
Quan điểm thứ hai là các loài dị dưỡng khác có thể ôxi hóa CH 4. Những vi sinh vật
này, đa số là họ Mycobacterium, sử dụng CH4 như các hydrocacbon béo khác làm
nguồn cacbon. Quá trình ôxi hóa CH4 bởi vi khuẩn cũng là một quá trình phức tạp
và có thể hình dung theo trình tự sau:
CH4 →CH3OH→HCHO→HCOOH →CO2
Như vậy, CH4 hình thành sẽ biến đổi tùy theo điều kiện môi trường, trong đó
vai trò của vi sinh vật là rất quan trọng. Nó không những tham gia vào sự hình
thành mà còn tham gia vào sự chuyển hóa CH4.
1.3.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải CH4.
Có nhiều yếu tố như: chế độ nước, phân bón, tính chất đất, quá trình sinh
trưởng của cây lúa có ảnh hưởng mạnh đến Eh. Khi động thái của Eh thay đổi thì sự
phát thải CH4 cũng thay đổi theo. Nói cách khác, những yếu tố ảnh hưởng đến Eh
cũng chính là những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải CH4.

19