ảnh hưởng của thế oxy hóa – khử tới sự phát thải khí metan trong đất phù sa sông hồng

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ....................................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2
3. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................3
1.1. Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa......................3
1.1.1. Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa trên thế giới. ........3
1.1.2. Một số nghiên cứu về sự phát thải khí metan trong đất lúa tại Việt Nam .............6
1.2. Khí nhà kính .............................................................................................................8
1.2.1. Khái niệm về khí nhà kính.....................................................................................8
1.2.2. Nguyên nhân sự gia tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất ....................................8
1.2.3. Tác hại của khí nhà kính ......................................................................................11
1.3. Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo .............................11
1.3.1. Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo ..........................11
1.3.2. Quá trình giải phóng CH4 từ đất lúa ....................................................................12
1.3.3. Một số yếu tố ảnh hƣởng tới sự phát thải khí metan ...........................................13
1.3.4. Thế oxi hóa - khử và sự hình thành khí metan trong đất .....................................15
CHƢƠNG 2: MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.... 18
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ...............................................................................................18
2.1.1. Mục tiêu tổng quát ...............................................................................................18
2.2.2. Mục tiêu cụ thể ....................................................................................................18
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................18
2.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ..........................................................................................18
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................18
2.3. Nội dung nghiên cứu ..............................................................................................19
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................19
2.4.1. Phƣơng pháp luận tổng quát ................................................................................19
2.4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm ...................................................................................19
2.4.3. Phƣơng pháp lấy mẫu ..........................................................................................21
2.4.4. Phƣơng pháp phân tích ........................................................................................22

2.4.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu ...................................................................................24


CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................................25
3.1. Đặc điểm của đất trƣớc thí nghiệm ........................................................................25
3.2. Mối quan hệ giữa Eh và độ ẩm của đất phù sa sông Hồng. ...................................27
3.2.1. Lý do chọn độ ẩm thí nghiệm ..............................................................................27
3.2.2. Tƣơng quan giữa thế oxi hóa - khử (Eh) với điều kiện độ ẩm khác nhau ...........28
3.3. Động thái biến đổi Eh qua các giai đoạn thí nghiệm..............................................31
3.4.1. Tƣơng quan giữa Eh và Fe2+ ở các công thức .....................................................33
3.4.2. Tƣơng quan giữa Eh và Fe 2+/Fe3+ ở các công thức ............................................34
3.5. Sự phát thải khí CH4 dƣới sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau ..35
3.5.1. Sự phát thải khí CH4 trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau .......................36
3.5.2. Cƣờng độ phát thải khí CH4 qua các giai đoạn thí nghiệm .................................37
3.5.4. Tƣơng quan giữa lƣợng phát thải khí metan với chất hữu cơ ở các công thức ...40
3.5.5. Tƣơng quan giữa hồi quy giữa CH4 với CHC, Eh, Fe2+/Fe3+ ..............................42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................44
MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC TẾ .................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................48
PHỤ LỤC ......................................................................................................................51


DANH MỤC BẢNG BIỂU - HÌNH ẢNH
Bảng 1.1. Lƣợng CH4 phát thải từ đất lúa nƣớc .............................................................4
Bảng 1.2. Eh của các hệ oxi hóa khử ............................................................................15
Bảng 2.1. Các công thức thí nghiệm .............................................................................20
Bảng 2.2. Các chỉ tiêu và phƣơng pháp phân tích .........................................................24
Bảng 3.1. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng đất phù sa sông Hồng trƣớc thí nghiệm.
.......................................................................................................................25
Bảng 3.2. Thang pH đất và mức độ chua của đất ..........................................................25

Bảng 3.3. Thang đánh giá các chỉ tiêu trong đất ...........................................................26
Bảng 3.4. Các công thức thí nghiệm .............................................................................28
Bảng 3.5. Khoảng Eh trung bình theo độ ẩm khác nhau ...............................................29
Bảng 3.6. Tƣơng quan hồi quy giữa CH4 với CHC, Fe2+/Fe3+, Eh ............................42
Hình 1.1. Sơ đồ cân bằng Cacbon trong đất ..................................................................13
Hình 3.1. Các giai đoạn sinh trƣởng của cây lúa và nhu cầu tƣới (xấp xỉ) ...................28
Hình 3.2. Tƣơng quan giữa thế oxi hóa khử (Eh) với điều kiện độ ẩm ở các công thức
a-A45-35, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 ..........................29
Hình 3.3. Động thái của Eh qua các ngày thí nghiệm ...................................................31
Hình 3.4. Tƣơng quan giữa Eh và Fe2+ ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, c-N-35,
d-N25, e-N75-35, f-N75-25 ..........................................................................33
Hình 3.5. Tƣơng quan giữa Eh và Fe2+/Fe3+ ở các công thức a-A45-35, b-A45-25, cN-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 ................................................................34
Hình 3.6. Tổng lƣợng khí CH4 phát thải của các công thức .........................................36
Hình 3.7. Cƣờng độ phát thải khí CH4 qua các giai đoạn thí nghiệm ..........................37
Hình 3.8. Tƣơng quan giữa lƣợng phát thải khí metan với Eh ở các công thức a-A4535, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 .....................................38
Hình 3.9. Tƣơng quan giữa lƣợng phát thải khí metan với chất hữu cơ ở các công thức
a-A45-35, b-A45-25, c-N-35, d-N25, e-N75-35, f-N75-25 ..........................40


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CH4

: Khí metan

CHC

: Chất hữu cơ

EC

: Độ dẫn điện của dung dịch đất

Eh

: Thế oxy hóa - khử

GWP

: Tiềm năng nóng lên toàn cầu

IPPC

: Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu

KNK

: Khí nhà kính

Kts

: Kali tổng số

Nts

: Nitơ tổng số

P ts

: Photpho tổng số

Pdt

: Photpho dễ tiêu


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Ảnh hƣởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí metan
trong đất phù sa sông Hồng
- SV thực hiện:
Bùi Thùy Dung

Mã số SV: DTZ1254403010065

Nguyễn Thị Thùy Linh

Mã số SV: DTZ1254403010059

Trịnh Thị Phƣơng Thảo

Mã số SV: DTZ1254403010079

- Lớp: KHMT-K10

Khoa: KHTĐ&MT

Năm thứ: 3

Số năm đào tạo: 4
- Ngƣời hƣớng dẫn: ThS.NCS. Mai Thị Lan Anh
2. Mục tiêu đề tài:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí metan ở đất
phù sa sông Hồng.
- Đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu sự phát thải khí metan từ hệ thống
canh tác lúa nƣớc.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Hiện nay, tại Việt Nam cũng chƣa có nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về
ảnh hƣởng của Eh tới sự phát thải khí CH4 ở đất phù sa sông Hồng. Vì vậy, đề tài:
“Ảnh hƣởng của thế oxi hóa - khử tới sự phát thải khí metan trong đất phù sa
sông Hồng” sẽ cung cấp thêm cơ sở cho chiến lƣợc quản lý để giảm thiểu lƣợng phát
thải khí nhà kính.
- Sự phát thải khí metan (CH4) trong đất dƣới sự thay đổi của thế oxi hóa khử
và điều kiện nhiệt độ khác nhau.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Đánh giá ảnh hƣởng thế oxy hóa – khử tới sự phát thải khí metan (CH4) ở điều
kiện độ ẩm và nhiệt độ khác nhau.
- Tìm ra điều kiện độ ẩm và phạm vi kiểm soát Eh thích hợp để hạn chế sự phát
thải CH4


5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
- Cung cấp thêm cơ sở cho chiến lƣợc quản lý để giảm thiểu lƣợng phát thải khí
nhà kính.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí
nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có)

Ngày

tháng

năm

SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

Bùi Thùy Dung

Nhận xét của ngƣời hƣớng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày
Xác nhận của Trƣờng
(kí tên và đóng dấu)

tháng

năm

Ngƣời hƣớng dẫn
(kí, họ và tên)


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ô nhiễm môi trƣờng không chỉ là vấn đề của mỗi quốc gia mà đã trở thành vấn
đề chung của nhân loại đƣợc toàn thế giới quan tâm. Môi trƣờng cung cấp cho con
ngƣời những điều kiện cần thiết cho sự sống, tồn tại và phát triển. Tuy nhiên, hiện nay

con ngƣời đang phải đối mặt với những thay đổi quá nhanh của môi trƣờng sống, đặc
biệt là hiện tƣợng biến đổi khí hậu. Theo IPCC (29/07/2013) dự báo nhiệt độ trên hành
tinh của chúng ta sẽ tăng trong khoảng từ 0,3oC đến 4,8oC và mực nƣớc biển sẽ tăng từ
26 – 82 cm vào năm 2100, thiên tai hạn hán, lũ lụt thƣờng xuyên xảy ra...
Nguyên nhân chủ yếu gây ra hiện tƣợng biến đổi khí hậu là do sự gia tăng của
các khí nhà kính (CO2, CH4, NOx...). Mặc dù hàm lƣợng phát thải khí metan (CH4)
toàn cầu thấp hơn so với cacbon dioxit (CO2) nhƣng lại là một khí gây ra hiệu ứng nhà
kính lớn hơn. Hàm lƣợng khí metan (CH4) trong khí quyển đã tăng khoảng 150% từ
năm 1750 (IPCC (2001)).
Nguồn phát thải chính của khí metan (CH4) sinh ra qua quá trình biến đổi sinh
học trong môi trƣờng yếm khí từ các khu vực đầm lầy và các ruộng lúa nƣớc. Khí
metan (CH4) khoảng 40% đƣợc giải phóng ra có nguồn gốc tự nhiên (đất ngập nƣớc,
đầm lầy), khoảng 60% còn lại có nguồn gốc từ con ngƣời.
Cuộc họp vào ngày 31 tháng 3 năm 2014 của Ban Liên Chính phủ về biến đổi
khí hậu (IPCC) ở Yokahama (Nhật Bản) đƣa ra lời cảnh báo về những tác động tiềm
năng của các chất khí nhƣ metan – với hiệu ứng nhà kính nhiều hơn 32 lần so với hiệu
ứng nhà kính của cacbon đioxit. Hiện nay, ngƣời ta tập trung vào hai nguồn phát thải
khí metan đó là khu vực đầm lầy và ruộng lúa nƣớc. Bằng phƣơng pháp đo đồng vị
ngƣời ta có thể đánh giá 70 - 80% CH4 của khí quyển có nguồn gốc sinh học (Khal và
Shearer, 1993).
Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất và xuất khẩu lúa gạo hàng đầu
của thế giới, có khoảng 6 triệu ha đất trồng lúa (Young và cộng sự, 2002; FAOSTAT,
2013) [27]. Trong đó đất trồng lúa ở khu vực đồng bằng sông Hồng chiếm hơn 1 triệu
ha, với con số này lúa chiếm 88% diện tích cây lƣơng thực của vùng và chiếm khoảng
14% diện tích gieo trồng lúa của cả nƣớc. Đến năm 2000 lƣợng phát thải khí nhà kính
của ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn cacbon chiếm 45,4% tổng lƣợng phát thải khí
1


nhà kính toàn quốc. Theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lƣợng khí nhà kính

phát thải trong nông nghiệp là 52,32 triệu tấn cacbon, chiếm 51% tổng lƣợng phát thải
của cả nƣớc. Nguồn phát thải chủ yếu CH4 là trồng lúa phát thải 1,56 triệu tấn
cacbon/năm chiếm 62,4% (Viện khí tƣợng thủy văn, 1999) và là nguồn phát thải chủ
yếu (Nguyễn Mộng Cƣờng và cộng sự, (1999), Nguyễn Mộng Cƣờng, (2000)). Việc
này đồng nghĩa khu vực đất phù sa sông Hồng cũng góp phần lớn vào việc phát thải ra
khí nhà kính CH4.
Tại Việt Nam các nghiên cứu về phát thải khí metan còn ít. Đặc biệt quá trình
phân giải chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí đều dẫn đến hình thành CH4 phụ thuộc
vào nhiều điều kiện và mới chỉ đề cập đến các yếu tố môi trƣờng nhƣ điều kiện nhiệt
độ, độ ẩm, thời gian canh tác... Độ oxi hóa khử là một trong các yếu tố chính ảnh
hƣởng tới sự phát thải khí CH4. Hiện nay, tại Việt Nam cũng chƣa có nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm về ảnh hƣởng của Eh tới sự phát thải khí CH4 ở đất phù sa sông
Hồng. Vì vậy, đề tài :“Ảnh hưởng của thế oxi hóa - khử tới sự phát thải khí metan
trong đất phù sa sông Hồng” sẽ cung cấp thêm cơ sở cho chiến lƣợc quản lý để giảm
thiểu lƣợng phát thải khí nhà kính.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí metan ở đất
phù sa sông Hồng.
- Đề xuất các biện pháp nhằm giảm thiểu sự phát thải khí metan từ hệ thống
canh tác lúa nƣớc.
3. Ý nghĩa của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
Hiểu đƣợc cơ chế hình thành và phát thải metan, ảnh hƣởng của thế oxi hóakhử (Eh) đến sự phát thải khí metan.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Cung cấp thêm cơ sở khoa học nhằm giảm thiểu phát thải khí nhà kính ứng phó
với hiện tƣợng biến đổi khí hậu.

2

CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa.
1.1.1. Những nghiên cứu về sự phát thải của khí metan trong đất trồng lúa trên thế giới.
Nhƣ ta đã biết, các khí CO2, NH4, NOx, CFC… trong khí quyển đóng vai trò
nhƣ một nhà kính khổng lồ bao quanh trái đất điều này làm trái đất nóng dần lên. Hiệu
ứng nhà kính có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trái đất.
Metan cũng là một loại khí nhà kính quan trọng trong hệ thống khí hậu, vì
quang phổ hấp thụ hồng ngoại của nó (Wang và cộng sự, 1976). Sự gia tăng nhanh
chóng hàm lƣợng khí metan, có thể kéo theo những hậu quả về môi trƣờng đáng kể
[25]. Các nghiên cứu từ năm 1885 đến 1940 cho thấy nồng độ khí nhà kính đã tăng
0,008% và nhiệt độ trái đất đã tăng lên 0,5%. Vì vậy, những nghiên cứu về sự phát
thải metan là cần thiết để ƣớc tính chính xác nguồn, sự hấp thụ metan khí quyển và tìm
cách để giảm lƣợng khí thải metan.
Lúa đƣợc trồng hơn 140 triệu ha trên toàn thế giới và là thực phẩm chủ yếu
đƣợc tiêu thụ nhiều nhất trên trái đất. Với 90% lƣợng gạo của thế giới đƣợc sản xuất
và tiêu thụ ở châu Á, và 90% phần trăm đất lúa ít nhất là tạm thời bị ngập lụt. Các thủy
sinh bán độc đáo phụ thuộc bản chất của cây lúa cho phép nó phát triển một cách hiệu
quả mà ở những nơi khác không thể tồn tại, nhƣng nó cũng là lý do làm cho lƣợng khí
thải của các khí nhà kính lớn [23].
Theo ICPP (1996) thì tổng lƣợng phát thải CH4 là từ 20-100 triệu tấn/năm. Năm
2000, tổng lƣợng khí metan phát thải trong hoạt động lúa gạo là 625 triệu tấn, chiếm
15 % đến 20 % tổng lƣợng metan do con ngƣời tạo ra. Mùa khô lƣợng khí metan thải
ra ít hơn do chế độ ít ngập nƣớc hơn. Tùy vào điều kiện môi trƣờng mà đất lúa mỗi nơi
trên thế giới phát thải lƣợng khí nhà kính khác nhau, đó là do sự khác nhau về điều
kiện nhiệt độ, độ ẩm, thời gian canh tác… Ngoài ra ảnh hƣởng của thế oxy hóa - khử
là một trong các yếu tố chính ảnh hƣởng tới sự phát thải khí CH4.

3

Bảng 1.1. Lƣợng CH4 phát thải từ đất lúa nƣớc
CH4 giải

CH4 giải

Giai

phóng

đoạn

(g/m2/ngày)

trồng

64163

0,5 – 0,8

90-120

29-62

Có tƣới

32354

0,5 – 0,8

90-120

12-25

Nhờ nƣớc mƣa 0-30 cm

11587

0,5 – 0,8

90-120

4-11

Nhờ nƣớc mƣa 30-100 cm

5290

0,003

150

<1

Ngập nƣớc >100cm

3650

0,5 – 0,8

90-120

2-4

Có tƣới

1820

0,5 – 0,8

90-120

1-2

Nhờ nƣớc mƣa

Châu Mỹ

7036

0,3 – 0,8

90-150

1-6

Có tƣới

Phần còn lại

1195

0,5 – 0,6

120-150

0,1

Có tƣới

Tổng

128095

Diện tích

Lục địa

lúa

Châu Á

Châu Phi

phóng

Ghi chú

(triệu
tấn/năm)

53-114
(Nguồn: Bouwman, 1990)

Sự hình thành CH4 ở ruộng lúa và ảnh hƣởng đến nồng độ, sự phân bố của
CH4 trong khí quyển đƣợc Koyama nghiên cứu đầu tiên ở Nhật Bản vào năm 1963.
Koyama ƣớc tính tỷ lệ phát thải có thể có của CH4 trong đất lúa của thế giới dựa trên
các phép đo trong phòng thí nghiệm ở các mức sản xuất của CH4 từ đất lúa tại Nhật
Bản. Tác giả đã ƣớc tính hàng năm sự phát thải CH4 từ những ruộng lúa vào khí quyển
khoảng 190 triệu tấn trong những năm đầu thập kỷ 60 [16].
Thí nghiệm đo trực tiếp ngoài ruộng lúa lƣợng CH4 phát thải đƣợc thực hiện tại
California (Mỹ) bởi Cicerone và Shetter (1981). Họ phát hiện ra rằng việc phát thải CH4
từ ruộng lúa chủ yếu là thông qua trực tiếp từ cây lúa, không có khuếch tán hoặc sự hiện
diện của các bong bóng qua bề mặt nƣớc - không khí. Hơn nữa, Cicerone (1983) báo cáo
sự phụ thuộc theo mùa mạnh của dòng CH4 phát thải từ ruộng lúa đã quan sát thấy lƣợng
phát thải khí metan cao nhất trong 2 - 3 tuần cuối cùng trƣớc khi thu hoạch, lƣợng khí
CH4 phát thải hàng ngày đạt 5 g/m 2. Trong 100 ngày mùa, khí CH4 phát thải hàng ngày
trung bình khoảng 0,25 g/m 2 [12]. Seller (1984) ở Tây Ban Nha tiến hành thí nghiệm đo
lƣợng phát thải CH4 và đƣa ra giá trị 35 - 59 triệu tấn/năm [24]. Holzapfel Pschorn và
Seiler (1986) tiến hành đo CH4 phát thải từ cánh đồng lúa ở Ý trong một khoảng thời gian
4


thực vật phát triển hoàn chỉnh, sử dụng một hệ thống hộp tĩnh. Những cánh đồng lúa đƣợc
tìm thấy là một nguồn phát thải metan vào khí quyển trong thời gian ngập lụt. Tỷ lệ phát
thải CH4 dao động từ một vài mg CH4 mỗi mét vuông mỗi giờ và 51 mg CH4 m-2 h-1 cho
thấy một sự thay đổi theo mùa với mức phát thải tối đa giữa giai đoạn đẻ nhánh và ra hoa.
Trung bình trong giai đoạn thực vật phát triển hoàn chỉnh, tỷ lệ CH4 phát thải là 16 mg m-2
h-1. CH4 phát thải biến đổi trong ngày mạnh mẽ, với giá trị cao nhất vào cuối buổi chiều
và giá trị thấp nhất vào buổi sáng sớm, trùng hợp với sự thay đổi nhiệt độ trong các lớp

đất phía trên (1-10 cm) [14].
Trên thế giới đã có các công trình nghiên cứu về ảnh hƣởng của thế oxi hóa-khử
tới sự phát thải khí metan nhƣ: Patrick H. Masscheleyn (1993) nghiên cứu trong phòng
thí nghiệm về ảnh hƣởng của thế oxy hóa khử trong đất tới sự phát thải khí nitơ oxit và
metan từ các loại đất khác nhau, sự tƣơng ứng của thế oxi hóa - khử trong đất để CH4
và N2O phát thải từ một đất trồng lúa đã đƣợc nghiên cứu. Tác giả chỉ ra rằng tại
Louisiana (Mỹ) đất lúa đã cân bằng ở các mức độ oxi hóa khử đƣợc kiểm soát, từ 500
mV đến -250 mV. Nghiên cứu cho thấy giá trị oxi hóa khử của đất -150 mV là quan
trọng đối với sự phát thải CH4 [17].
Yu và cộng sự (2001) nghiên cứu ảnh hƣởng của thế oxy hóa khử trong đất tới
sự phát thải khí nitơ oxit và metan từ các hệ thống loại đất khác nhau. Bốn mẫu đất từ
các cánh đồng lúa khác nhau. Ở Mĩ, Trung Quốc (ruộng lúa) và Bỉ (ruộng ngô và lúa
mì) đất đƣợc phân tán trong dung dịch với tỷ lệ (đất : nƣớc, 1: 4) sau đó đƣợc ủ và
đánh giá sự phát thải của N2O và CH4 phát thải trong đất khác nhau trong điều kiện oxi
hóa khử tiềm năng. Kết quả cho thấy sự phát thải N2O đã đƣợc quy định trong một
phạm vi hẹp của thế oxi hóa khử 120 mV - 250 mV. Tỷ lệ phát thải CH4 tỷ lệ nghịch
với khả năng oxi hóa khử đất. Cả hai mối quan hệ tuyến tính và hàm mũ giữa phát thải
CH4 và thế oxi hóa khử đất là có ý nghĩa. Bằng cách ngoại suy các mối quan hệ tuyến
tính phát thải CH4 đối với thế oxy hóa khử đất, tiềm năng oxi hóa khử cho việc phát
thải CH4 đƣợc ƣớc tính vào khoảng -170mV (đất lúa ở Mĩ), -150mV (đất lúa của
Trung Quốc), -215mV (đất ngô Bỉ), và - 195 mV (đất lúa mì Bỉ). Ngoài ra, kết quả cho
thấy đất có tiềm năng oxi hóa khử thấp quan trọng cho việc phát thải CH4 [28].
Yu, Patrick (2003) nghiên cứu phản ứng oxi hóa khử với việc sản sinh tối thiểu
khí NO2 và CH4 trong đất trồng lúa dƣới độ pH khác nhau. Một đất lúa Louisiana đƣợc
5


ủ và có bốn mức độ pH khác nhau đƣợc sử dụng. Sản xuất oxit nitơ bắt đầu ngay sau
khi bắt đầu ủ trong điều kiện oxy hóa. Một số lƣợng lớn CH4 đƣợc sản xuất tại một
điểm quan trọng và giảm tăng theo cấp số nhân với sự sụt giảm hơn nữa tiềm năng oxi

hóa khử (Eh). Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về mặt thống kê giữa lý
thuyết về dự đoán giảm của Eh với tăng pH và sự thay đổi quan sát đƣợc của Eh với
pH cho quá trình sản xuất N2O (60 mV, P = 0,932), CH4 (93 mV, P = 0,204). Tiềm
năng nóng lên toàn cầu (GWP) đóng góp từ đất nghiên cứu chủ yếu xuất phát từ sản
lƣợng N2O ở điều kiện giảm vừa phải, và từ sản xuất CH4 trong điều kiện rất giảm. Có
sự phát thải nhẹ CH4 tại Eh cao ngay sau khi bắt đầu ủ, nhƣng sản lƣợng CH4 này
không phải là một nguồn quan trọng của GWP từ đất do số lƣợng nhỏ và xảy ra thoáng
qua. Nếu pH trung tính, phạm vi Eh tính với tối thiểu GWP thƣờng là trong khoảng 150 mV đến +180 mV [29].
1.1.2. Một số nghiên cứu về sự phát thải khí metan trong đất lúa tại Việt Nam
Ở Việt Nam, là một nƣớc đứng thứ hai thế giới về sản xuất lúa gạo với sản
lƣợng hơn 30 triệu tấn thì lƣợng metan phát thải từ sản suất lúa gạo là chủ yếu. Theo
kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lƣợng khí nhà kính phát thải trong nông
nghiệp là 52,32 triệu tấn cacbon, chiếm 51% tổng lƣợng phát thải của cả nƣớc. Đến
năm 2000 lƣợng phát thải khí nhà kính của ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn cacbon
chiếm 45,4% so cả nƣớc (Viện khí tƣợng thủy văn, 1999). Để giảm lƣợng phát thải khí
nhà kính, một trong những biện pháp là giảm phát thải CH4 từ đất trồng lúa nƣớc.
Nguyễn Hữu Thành và cộng sự (2011) nghiên cứu tập trung về tình hình phát
thải khí metan trên đất lúa (thời kỳ lúa đẻ nhánh rộ) tại các tỉnh vùng đồng bằng sông
Hồng: Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Hải Dƣơng và Hà Nội, với số lƣợng 10
mẫu/tỉnh vào vụ mùa năm 2010. Kết quả cho thấy tốc độ phát thải metan trung bình tại
5 tỉnh của vùng nghiên cứu có giá trị nhỏ nhất tại Thái Bình, 39,5 mg CH4/m2/giờ và
cao nhất tại Nam Định, 61,3 mg CH4/m2/giờ. Tốc độ phát thải khí CH4 tại các điểm
nghiên cứu tại Hải Phòng dao động từ 31,4 đến 69,9 mg CH4/m2/giờ, Thái Bình từ
32,1 đến 60,3 mg CH4/m2/giờ, Nam Định từ 40,7 đến 94,2 mg/m2/giờ, Hải Dƣơng từ
30,9 đến 84,3 mg CH4/m2/giờ, Hà Nội, từ 33,1 đến 57,9 mg/m2/giờ. Nghiên cứu cũng
chỉ ra động thái phát thải khí CH4 vụ mùa 2010 và vụ xuân 2011 ở đất lúa Viện cây
lƣơng thực và cây thực phẩm, Hải Dƣơng và đất lúa trƣờng ĐH Nông nghiệp Hà Nội.
6

Vụ mùa 2010, cƣờng độ phát thải khí CH4 đạt cao nhất ở 5 tuần sau cấy (thời kỳ đẻ
nhánh rộ) tƣơng ứng là 72,3 và 66,0 mg CH4/m2/giờ, sau đó giảm dần tới cuối vụ. Vụ
xuân năm 2011, cƣờng độ phát thải cao nhất vào 9 tuần sau cấy, tƣơng ứng đạt 53,6 và
44,7 mg CH4/m2/giờ, thấp hơn cƣờng độ phát thải trong vụ mùa 2010. Kết quả nghiên
cứu tƣơng quan giữa tốc độ phát thải khí CH4 với một số tính chất đất cho thấy tốc độ
phát thải metan tƣơng quan nghịch chặt với pH KCl ở đất Hải Phòng (r = -0,82), với
Mn dễ tiêu và Eh ở đất Thái Bình, Hải Dƣơng và Nam Định (r từ -0,55 đến -0,85) và
có tƣơng quan thuận với hàm lƣợng chất hữu cơ trong đất ở Hà Nội (r=0,6) [7].
Nguyễn Việt Anh (2006) nghiên cứu về quản lý nƣớc mặt ruộng nhằm giảm
phát thải khí metan, tiết kiệm nƣớc và không làm giảm năng suất lúa trên đồng bằng
sông Hồng. Nghiên cứu cho thấy chế độ nƣớc mặt ruộng có ảnh hƣởng lớn đến cơ chế
hình thành và phát thải khí metan trên ruộng lúa. Đối với đất phù sa trung tính ít chua
đồng bằng sông Hồng, tƣới nông lộ phơi sẽ giảm phát thải khí metan tiết kiệm nƣớc và
năng suất lúa tăng so với ngập nƣớc thƣờng xuyên. Cần chọn thời điểm phơi ruộng
hợp lý để tận dụng tối đa nƣớc mƣa, giảm nƣớc tháo nhằm tiết kiệm nƣớc tƣới, thúc
đẩy quá trình phát triển và tăng năng suất lúa [1].
Nguyễn Việt Anh (2010) nghiên cứu chế độ nƣớc mặt ruộng hợp lý để giảm
thiểu phát thải khí mê tan trên ruộng lúa vùng đất phù sa trung tính ít chua đồng bằng
sông Hồng. Nghiên cứu cho thấy lần đầu tiên tại Việt Nam định lƣợng đƣợc thế oxi
hóa khử (Eh) từ -176 mV đến -287 mV là điều kiện để hình thành metan trong đất phù
sa trung tính ít chua, bón phân vô cơ và hữu cơ, ngập nƣớc có cấy lúa ở đồng bằng
sông Hồng. Xác định chế độ nƣớc mặt theo công thức tƣới nông - lộ - phơi giảm thiểu
lƣợng metan phát thải trung bình toàn vụ mùa 11,25%, vụ xuân 8,97% so với công
thức tƣới nông thƣờng xuyên. Xác định tƣơng quan chặt chẽ giữa cƣờng độ metan phát
thải (Y) với cƣờng độ thoát hơi nƣớc (X) giai đoạn sinh trƣởng từ cấy - hồi xanh đến
đứng cái – làm đòng, theo phƣơng trình tuyến tính: vụ xuân Y = 9,9631X – 25; R2 =
0,731, vụ mùa Y = 30,885X – 97; R2 = 0,875 (R2 là hệ số tƣơng quan) [2].
Khí metan phát thải trên vùng đất lúa là quá trình phân giải chất hữu cơ trong
điều kiện yếm khí có sự tham gia của các vi khuẩn. Qúa trình hình thành và chuyển
hóa CH4 có sự tham gia của vi khuẩn mentanobacterium, các yếu tố môi trƣờng nhƣ

chất hữu cơ, nhiệt độ, độ ẩm và thế oxy hóa – khử (Eh)… Bằng việc tiến hành thực
7


nghiệm ảnh hƣởng của thế oxy hóa – khử (Eh) đối với việc phát thải khí CH4 ta có thể
giảm thiểu đƣợc việc phát thải một cách đáng kể.
Các nghiên cứu ở Việt Nam về phát thải khí metan còn ít, chƣa có nhiều nghiên
cứu cụ thể. Đặc biệt còn nhiều yếu tố môi trƣờng chƣa đƣợc đề cập tới nhƣ ảnh hƣởng
của thế oxi hóa – khử. Điều này đặt ra câu hỏi lớn và cần câu trả lời mang ý nghĩa
khoa học và thực tiễn. Vì vậy nghiên cứu ảnh hƣởng của thế oxi hóa - khử tới việc
phát thải khí metan là cần thiết để kiểm soát đƣợc Eh giúp hạn chế khí nhà kính gây
biến đổi khí hậu.
1.2. Khí nhà kính
1.2.1. Khái niệm về khí nhà kính
Khí nhà kính là những khí có khả năng hấp thụ các bức xạ sóng dài (hồng ngoại
λ > 0,75μm) đƣợc phản xạ từ bề mặt trái đất khi đƣợc chiếu sáng bằng ánh sáng mặt
trời, sau đó giữa lại nhiệt cho trái đất, gây ra hiệu ứng nhà kính [9].
Các loại khí nhà kính chính: cacbon dioxit (CO2), metan (CH4), nitro oxit
(N2O), hơi nƣớc (H2O), ozon (O3).
1.2.2. Nguyên nhân sự gia tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất
a. Khí CO2
Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, khoảng 375 tỷ tấn cacbon đã đƣợc phát thải
ra bởi con ngƣời vào bầu không khí nhƣ cacbon đioxit (CO2).
CO2 là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính, chiếm 50% trong cơ cấu các
khí gây nên hiện tƣợng hiệu ứng nhà kính.
Trong khí quyển, CO2 chiếm 0.034% thể tích, là nguyên liệu cho quá trình
quang hợp ở cây xanh. Thông thƣờng lƣợng CO2 sản sinh một cách tự nhiên cân bằng
với lƣợng CO cho quang hợp. Thế nhƣng, hàm lƣợng CO trong không khí ngày càng
tăng và tác động xấu đến khí hậu toàn cầu do các nguyên nhân nhƣ:
+ Thời kỳ tiền công nghiệp lƣợng CO2 là ~ 280 ppm. Khí quyển đạt CO2 140%

giai đoạn tiền công nghiệp vào năm 2011, chủ yếu là do khí thải từ quá trình đốt cháy
nhiên liệu hóa thạch.

8


+ Sự phát triển của các ngành công nghiệp nhƣ khai khoáng, làm phát sinh một
lƣợng khí CO2 khá lớn từ hoạt động đốt cháy và tiêu thụ nhiên liệu (dầu, than, xăng,
khí ga, điện) cho các hoạt động của các máy móc khai thác, chế biến, lò luyện kim,
phƣơng tiện vận chuyển,…việc xây dựng các hồ chứa nƣớc thủy điện cũng sinh ra một
lƣợng khí CO2 đáng kể.
+ Chặt phá rừng, đốt rừng bừa bãi để lấy đất trồng trọt, chăn nuôi hay xây dựng
các công trình. Nhìn chung, các hoạt động này tạo ra khoảng 25% cacbon vào bầu khí
quyển, chủ yếu là khí CO2.
+ Dân số tăng quá nhanh cùng với quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa
mạnh cũng thải vào khí quyển một lƣợng lớn CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính.
Theo tính toán của các nhà khoa học, khi nồng độ CO2 trong khi quyển tăng
gấp đôi, thì nhiệt độ bề mặt Trái Đất tăng lên khoảng 3oC. Các số liệu nghiên cứu cho
thấy nhiệt độ trái đất đã tăng 0,5oC trong khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 do thay
đổi của nồng độ CO2 trong khí quyển từ 0,027% đến 0,035%. Dự báo nếu không có
biện pháp khắc phục hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên 1,5oC đến 4,5oC
vào năm 2050.
b. Khí CFC (cloro fluoro cacbon)
Chiếm 20% trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính. Là những hóa chất do con
ngƣời tổng hợp để sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và từ đó xâm nhập vào khí
quyển. CFC đƣợc dùng trong các máy điều hòa nhiệt độ trong xe và nhà cửa, dùng trong
hệ thống làm lạnh của tủ lạnh, trong việc chế tạo sản phẩm bằng chất plastic xốp (ly, khay
ăn, lớp cản nhiệt), một số thuốc xịt, trong các quy trình làm sạch các thiết bị điện tử và là
sản phẩm phụ của một số quá trình hóa học. Các khí này trơ về mặt hóa học, không cháy,
không mùi nên có thời gian lƣu rất dài. Khi thải ra không khí các chất này bay lên tầng khí

quyển cao và có khả năng xói mòn lớp ozon bao quanh trái đất và làm cho các tia cực tím
từ mặt trời đến mặt đất nhiều hơn, làm tăng nhanh hiệu ứng nhà kính.
Hằng năm các khí CFC tăng 4% (1992). Tính đến năm 2050 các chất CFC có
thể là 9 tỷ tấn CO tƣơng đƣơng, ƣớc tính khoảng 45% tổng lƣợng thải CO2 ảnh hƣởng
xấu đến khí hậu toàn cầu.

9


c. Khí CH4 (metan)
Hiện nay, khí này phát thải vào khí quyển ngày càng nhiều do các hoạt động
của con ngƣời. Chiếm 13% trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính. Mỗi phân tử
CH4 bắt giữ năng lƣợng nhiệt gấp 21 lần phân tử CO2. Nguyên nhân gây phát thải khí
CH4 là:
+ Việc sử dụng và đốt nhiên liệu hóa thạch. Các hồ chứa nƣớc thủy điện do đầu
dẫn nƣớc vào các tuabin đặt sau dƣới đáy hồ, ở điều kiện áp suất cao, khí CH4 trong
nƣớc dễ dàng thoát ra bên ngoài, gây tổn hại cho môi trƣờng.
+ Sự phân hủy các chất hữu cơ trong các bãi rác thải rắn.
+ Đƣợc sinh ra từ các quá trình sinh học, sự men hóa đƣờng ruột của các loài
động vật nhai lại, chất thải của các loài động thực vật.
* Sự sản sinh CH4 trong canh tác lúa nước:
Quá trình này xảy ra khi một số vi khuẩn nhất định (vi khuẩn metan) sử dụng
CO2 hoặc nhóm metyl nhƣ những chất thu nhận electron để sản sinh ra khí metan
(CH4) theo phƣơng trình:
4H2 + CO2  CH4 + 2H2O
CH3COO- + 4H2 2CH4 + 2H2O
CH4 có thể đi vào khí quyển khi các trầm tích bị tác động và đƣợc gọi là "khí
đầm lầy".
d. Khí O3 (ozon)
Chiếm 8 % trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính.Là thành phần chính của

tầng bình lƣu, khoảng 90 % ozon tập trung ở độ cao 19 - 23 km so với mặt đất. Có
chức năng bảo vệ sinh quyển do khả năng hấp thụ bức xạ tử ngoại và tỏa nhiệt của
phân tử ozon.
Tầng ozon bị phá hủy làm tăng lƣợng mƣa axit tạo thành khói quang hóa gây
hiệu ứng nhà kính…
e. Khí N2O (oxit nito)
Chiếm 5 % trong cơ cấu các khí gây hiệu ứng nhà kính. Mỗi phân tử N2O bắt
giữ năng lƣợng nhiệt gấp 270 lần phân tử CO2. Nguyên nhân gây phát thải khí N2O :
10


+ Khí thải từ ô tô, xe máy (chủ yếu là oxit carbon, hidrocarbon, oxit nitro)
+ Quá trình đốt cháy các rác thải rắn và nguyên liệu.
+ Một lƣợng nhỏ N2O xâm nhập vào khí quyển do kết quả của quá trình nitrat
hóa các loại phân bón hữu cơ và vô cơ hay các quá trình xử lí nƣớc thải
+ Quá trình sản xuất nông nghiệp và các hoạt động công nghiệp
Ngoài ra còn có các khi khác nhƣ: Hơi nƣớc, SO2, SF, CF3…
1.2.3. Tác hại của khí nhà kính
Vai trò gây nên hiệu ứng nhà kính của các chất khí đƣợc xếp theo thứ tự sau:
CO2 => CFC => CH4 => O3 =>NO2. Sự gia tăng nhiệt độ trái đất do hiệu ứng nhà kính
có tác động mạnh mẽ tới nhiều mặt của môi trƣờng trái đất.
- Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm tan băng và dâng cao mực nƣớc biển. Nhƣ vậy,
nhiều vùng sản xuất lƣơng thực trù phú, các khu đông dân cƣ, các đồng bằng lớn,
nhiều đảo thấp sẽ bị chìm dƣới nƣớc biển.
- Sự nóng lên của trái đất làm thay đổi điều kiện sống bình thƣờng của các sinh
vật trên trái đất. Một số loài sinh vật thích nghi với điều kiện mới sẽ thuận lợi phát
triển. Trong khi đó nhiều loài bị thu hẹp về diện tích hoặc bị tiêu diệt.
- Khí hậu trái đất sẽ bị biến đổi sâu sắc, các đới khí hậu có xu hƣớng thay đổi.
Toàn bộ điều kiện sống của tất cả các quốc gia bị xáo động. Hoạt động sản xuất nông
nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ hải sản bị ảnh hƣởng nghiêm trọng.

- Nhiều loại bệnh tật mới đối với con ngƣời xuất hiện, các loại dịch bệnh lan
tràn, sức khoẻ của con ngƣời bị suy giảm.
1.3. Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo
1.3.1. Metan và sự phát thải metan trong hoạt động sản xuất lúa gạo
Hơn 90 % diện tích trồng lúa trên thế giới là diện tích đất ngập nƣớc trong điều
kiện nhiệt độ nóng ẩm, đây là điều kiện thuận lợi cho sự sản sinh khí metan trong điều
kiện yếm khí. Theo ICPP (1996) thì tổng lƣợng phát thải CH4 là từ 20-100 triệu
tấn/năm. Năm 2000, tổng lƣợng khí metan phát thải trong hoạt động lúa gạo là 625
triệu tấn, chiếm 15-20 % tổng lƣợng metan do con ngƣời tạo ra. Mùa khô lƣợng khí
metan thải ra ít hơn do chế độ ít ngập nƣớc hơn. Tùy vào điều kiện môi trƣờng mà đất
11


lúa mỗi nơi trên thế giới phát thải lƣợng khí nhà kính khác nhau, đó là do sự khác nhau
về điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, thời gian canh tác…
1.3.2. Quá trình giải phóng CH4 từ đất lúa
Quá trình giải phóng CH4 từ đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Theo
Sebacher (1986) khi đất bị ngập nƣớc trên 10 cm ít có tác động làm tăng quá trình giải
phóng CH4. Khi mực nƣớc dƣới 10 cm thì quá trình giải phóng CH4, có tƣơng quan
thuận với độ sâu tầng đất ngập.
Trong phẫu diện đất ngập nƣớc thƣờng chia ra các tầng có mức độ khử khác
nhau. Tầng mặt vẫn đƣợc xem là tầng oxy hóa, tiếp đến là tầng khử chứa nhiều Fe2+,
Mn4+ và vẫn còn tồn tại NO3-. Tiếp theo là tầng khử SO42- và cuối cùng là tầng sản sinh
khí CH4, đây cũng là tầng có điện thế oxy hóa khử thấp. Một phần CH4 đƣợc hình thành
ở tầng sản sinh CH4 có thể bị phân hủy ngay ở tầng đất oxy hóa và thực tế chỉ có khoảng
23% đƣợc thoát vào khí quyển. Trong trƣờng hợp không có cây lúa, khoảng 35% lƣợng
khí này sẽ phát thải vào khí quyển (Holzapfel Pschoru và cộng sự, 1986) [14].
* Metan được giải phóng vào khí quyển có thể theo 3 con đường sau:
1. Sủi bọt: Là hiện tƣợng hình thành bọt khí từ các trầm tích, chiếm khoảng 49 –
64 % (Barlett và cộng sự, 1988) đến 70% (Crill và cộng sự, 1988) lƣợng CH4 phát thải từ

đất ngập nƣớc.
2. Khuếch tán: CH4 khuếch tán vào nƣớc tới bề mặt nƣớc và thoát vào khí
quyển (Sebacher và cộng sự. 1983).
3. Đƣợc vận chuyển thông qua cây trồng, đặc biệt là các phần cây sống trong
nƣớc, nhƣ lúa (Bont và cộng sự, 1978; Seiler, 1978). Quá trình có ý nghĩa quan trọng ở
đất lúa nƣớc. Theo Seiler (1984), Holzappel Pschorn (1986) thì có tới 95% tổng số
CH4 đƣợc giải phóng từ đất vào khí quyển thông qua các mô khí của cây lúa. Sự thoát
CH4 vào khí quyển thông qua việc hình thành các bong bóng khí chỉ có ý nghĩa lớn ở
đất không cấy lúa. Khi lúa già (lúa chín) có khả năng giải phóng lƣợng CH4 nhiều gấp
20 lần khi cây lúa mới có 2 tuần tuổi.

12


Hình 1.1. Sơ đồ cân bằng Cacbon trong đất (Le Mer và cộng sự, 2001)
Diện tích đất lúa nƣớc trên thế giới ƣớc tính là 144 x 106 ha, trong đó 95 % tập
trung ở vùng Đông Á (FAO, 1985), chiếm 9,5% diện tích đất trồng trọt trên toàn thế
giới. Đất lúa đã tăng nhanh chóng từ 86 x 106 ha lên 144 x106 trong thời gian 50 năm
(1935 – 1985), với tốc độ tăng trung bình hàng năm là 1,05 %. Riêng giai đoạn 1950 –
1980 tốc độ tăng đạt 1,23% mỗi năm. Tuy nhiên trong những năm gần đây diện tích
đất lúa có chiều hƣớng giảm.
1.3.3. Một số yếu tố ảnh hưởng tới sự phát thải khí metan
a. Chế độ ngập nƣớc và phân bón
Cƣờng độ và cách thức phát thải khí CH4 chủ yếu dựa vào chế độ nƣớc và
lƣợng phân hữu cơ bón vào. Các nghiên cứu cho thấy canh tác lúa ở điều kiện ngập
nƣớc tạo điều kiện môi trƣờng khử, oxy hóa khử (Eh) của đất giảm xuống dƣới 0 mV
là điều kiện thuận lợi cho các loại vi sinh vật phân giải chất hữu cơ đất và sinh khí
metan, phát thải vào khí quyển. Chế độ ngập nƣớc xác định hiệu quả của tất cả các yếu
tố chu kỳ trong ruộng lúa và đại diện các điều kiện tiên quyết cho sự phát thải khí nhà
kính chính là metan. Vai trò đặc biệt của ruộng lúa trong cung cấp quỹ CH4 toàn cầu

đã dẫn đến nhiều đánh giá chi tiết về chủ đề này để tổng quan nhấn mạnh đến một số
những hiểu biết mới bắt nguồn từ những dữ liệu xuất bản gần đây, cụ thể là đề tài
nâng cấp và giảm nhẹ (Wassmann, 2010). Đồng lúa vùng cao, nơi không bị ngập nƣớc
13


vì thế không sản sinh ra lƣợng đáng kể CH4, chiếm khoảng 10 % sản lƣợng lúa gạo
toàn cầu và 15 % vùng trồng lúa gạo toàn cầu. Vùng còn lại đƣợc trồng ở đầm lầy, bao
gồm cây lúa phát triển do mƣa/do tƣới tiêu và lúa sống ở nơi nƣớc sâu. Môi trƣờng
trồng lúa không có nguồn cung cấp nƣớc đảm bảo, cụ thể là nguồn nƣớc mƣa có khả
năng phát thải khí nhà kính ít hơn so với ruộng có tƣới nƣớc. Phân bón hữu cơ kích
thích sự phát thải CH4 khi ruộng lúa bị ngập úng (Wassmann, 2010). Ngoài ra còn bị
ảnh hƣởng bởi các yếu tố khí hậu và thời tiết.
b. Ảnh hƣởng bởi mùa vụ và kỹ thuật trồng lúa
Việc sản xuất lúa ở Việt Nam theo phƣơng pháp truyền thống đã làm phát thải
nhiều khí nhà kính. Qúa trình giữ nƣớc thƣờng xuyên trong ruộng suốt quá trình sinh
trƣởng và phát triển gây phát thải khí metan (CH4) thông qua quá trình methanogenesis
(đây là kết quả của việc khí CH4 có thể phát ra không khí thông qua cây trồng và nƣớc).
Ngoài ra việc giảm lƣợng khí metan phát thải còn có thể thông qua sử dụng giống lúa
ngắn ngày, càng giảm lƣợng khí nhà kính phát thải vào môi trƣờng. Nouchi và Aoki
(1990) đã đƣa ra gia thiết CH4 hòa tan trong đất và nƣớc xung quanh rễ rồi khuếch tán vào
thành – vách tế bào rễ, sau đó đƣợc qua các lỗ khí của lá và thân cây [19].
c. Ảnh hƣởng bởi nhiệt độ
Nhiệt độ của đất đƣợc biết tới nhƣ là một nhân tố quan trọng làm ảnh hƣởng
đến hoạt động của các vi sinh vật đất. Nhiệt độ khi đến một mức độ nhất định có liên
quan đến hàm lƣợng ẩm của đất vì khả năng tạo ra nhiệt và tính dẫn nhiệt ở đất khô
thấp hơn so với đất ƣớt. Yamane và Sato (1961) vừa tìm ra rằng sự hình thành CH4 đạt
đƣợc giá trị max ở 35oC đối với đất phù sa ngập nƣớc. Tỷ lệ hình thành khí metan nhỏ
hơn khi nhiệt độ nhỏ hơn 20oC.

14


1.3.4. Thế oxi hóa - khử và sự hình thành khí metan trong đất
Bảng 1.2. Eh của các hệ oxi hóa khử
Eh (mv tại 25oC)
Hệ oxy hóa khử

1. O2 + 4H2 + 4e+ = 2H2O

pH=5

pH=7

930

820

530

420

640

410

170

-180

-70

-220

-120

-240

-295

-413

Eh=1,23 + 0,148log P(O2)-0,059pH
2. NO3-+2H++2E+=NO2+H2O
Eh=0,83-0,0259logNO2/NO3 -0,059pH
3. MnO2+4H++2e+=Mn+++2H2O
Eh=1,23-0,0295log Mn++-0,119pH
4. Fe(OH)3+3H++e+=Fe+++3H2O
Eh=1,06-0,059log Fe++ -0,177pH
5. SO42-+10H++8e+= H2S+4H2O
Eh=0,30-0,0074log H2S/ SO42- -0,074pH
6. CO2+8H++8e+=CH4+2H2O
Eh=0,17-0.059 log P(CH4)/P(CO2)-0,059 pH
7. 2H++2e+  H2
Eh=0,00-0,059 pH
(Nguồn: Ponnamperuma F.N. Russel, E.W 1978)
Oxy hoá khử là quá trình diễn ra phổ biến trong đất, đặc biệt là đất ngập nƣớc. Quá
trình này giữ một vai trò quan trọng đối với độ phì nhiêu đất. Oxy hoá là quá trình kết hợp
với oxy hay mất hydro. Trái lại quá trình khử là mất oxy hay kết hợp với hyđro. Quá trình
oxy hoá khử cũng liên quan đến sự chuyển dịch điện tử (electron)… Các chất oxy hoá (ký

hiệu là ox) là những chất nhận điện tử. Quá trình chất oxy hoá nhận điện tử gọi là quá trình
khử. Các chất khử (ký hiệu là Red) là những chất cho điện tử, quá trình chất khử cho điện tử
15


là quá trình oxy hoá. Cả hệ thống oxy hoá khử ký hiệu là Redox. Trong một phản ứng cụ
thể chất oxy hoá và chất khử tạo thành cặp oxy hoá khử và đƣợc gọi là một hệ thống oxy
hoá - khử trong đất. Trong đất những chất oxy 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 oxy 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 oxy hóa hay khử, chất hữu cơ đều
bị phân giải, tuy nhiên, cƣờng độ, sản phẩm phân giải có khác nhau. Để đặc trƣng cho
cƣờng độ oxy hóa - khử của dung dịch đất thƣờng xác định bằng điện thế oxy hóa –
khử (kí hiệu Eh) đơn vị là milivon (mV), tính theo công thức:
Eh (mV) = Eo + 59/ n.lg (ox)/ (red)
Trong đó Eo là điện thế tiêu chuẩn, nghĩa là điện thế phát sinh ở các điện cực
nằm trong dung dịch có chất oxy hoá và chất khử oxy nồng độ 1N và là hằng số với
mỗi hệ oxy hoá khử.
Thế oxi hóa - khử là một nhân tố quan trọng trong việc tạo ra CH4 trong đất. Eh
hay độ hoạt động electron của đất giảm từ từ sau khi ngập nƣớc. Patrick (1981) đã
chứng minh rằng thế oxi hóa - khử của đất phải dƣới khoảng -150 mV để có sự sản
sinh ra CH4. Yamane và Sato (1964) cũng chỉ ra rằng quá trình phát triển của CH4 từ
đất trồng lúa ngập nƣớc không bắt đầu cho tới khi Eh đạt dƣới -150mV [26]. Các
nghiên cứu trên thế giới về tính chất của đất đến việc phát thải khí metan đã xác định
đƣợc metan hình thành thuận lợi trong điều kiện thế oxi hóa - khử Eh = - 120mV đến –
300mV. Tại Việt Nam, lần đầu định lƣợng đƣợc thế oxi hóa - khử Eh = - 176mV đến 287mV là điều kiện để hình thành metan trong đất phù sa trung tính (pH=7) [2].
* Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá khử
+ Trong đất có thể chứa nhiều hệ thống oxy hoá khử có nồng độ khác nhau
nhƣng Eh của đất sẽ tƣơng đƣơng với trị số Eh của hệ thống oxy hoá khử có nồng độ
chất khử và chất oxy hoá cao nhất.

+ Trong đất thoáng khí quá trình oxy hoá khử trong đất đƣợc quyết định bởi
nồng độ O2 tự do trong không khí đất và O2 hoà tan trong dung dịch đất. Nồng độ oxy
trong không khí đất và trong dung dịch đất càng cao thì Eh càng cao.

16


+ Ðộ ẩm đất: đất khô có quá trình oxy hoá mạnh nên Eh cao, đất ẩm hoặc dƣ
ẩm thì quá trình khử mạnh nên Eh của đất thấp.
+ Cây trồng: Eh đất phụ thuộc và loại cây trồng, mật độ cây. Eh xung quanh rễ
cây cũng khác nhau. Ví dụ: gần rễ cây lúa mỳ Eh giảm vì rễ cây lúa mỳ tiết ra chất
khử, gần rễ cây lúa nƣớc Eh tăng do rễ lúa tiết ra oxy.
+ Eh của đất có sự liên quan chặt chẽ với pH. Nếu trong dung dịch đất có nhiều
ion H+ sẽ diễn ra quá trình: 2H+ + 2e- = H2
Khi thay đổi 1 đơn vị pH thì Eh thay đổi từ 57-59 mV. Klak đề nghị biểu thị
điện thế oxy hoá khử trong đất là rH2 theo công thức: rH2 (mV) = Eh/ 30 + 2 pH
* Ý nghĩa thực tiễn của phản ứng oxy hoá khử
+ Ðiện thế oxy hoá khử là chỉ tiêu đánh giá tính thông khí và tình hình cung cấp
dinh dƣỡng trong đất. Các chất dinh dƣỡng nhƣ NH4+, NO3-, PO43-, SO42-... đƣợc hình
thành do tác động của hệ vi sinh vật đất trong những điều kiện cụ thể về pH, hoặc Eh
nào đấy.
+ Các loại đất khác nhau có Eh khác nhau, trong một phẫu diện Eh của các tầng
khác nhau và thƣờng giảm theo chiều sâu. Eh phù hợp với sản xuất nông nghiệp biến
động trong phạm vi 200 - 700 mV (đất lúa nƣớc từ 200 - 300mV). Eh quá cao chứng
tỏ quá trình oxy hoá trong đất xảy ra mạnh, hàm lƣợng mùn tiêu hao nhanh và một số
chất dinh dƣỡng có thể bị cố định lại. Ngƣợc lại nếu Eh quá thấp nghĩa là quá trình
khử diễn ra mạnh, sinh ra một số chất độc nhƣ H2S, CH4....
+ Khi thay đổi Eh sẽ dẫn tới sự thay đổi một loạt trạng thái dinh dƣỡng trong
đất. Thí dụ: khi đổ ải, đất chuyển từ trạng thái oxy hoá sang trạng thái khử, Eh giảm
mạnh. Lúc đó Fe3+ trong các hợp chất bị khử thành Fe2+ (nhƣ Fe(OH)2 và FeHPO4)

làm đất giảm tính chua trong thời gian khoảng một tháng, hàm lƣợng lân dễ tiêu tăng
lên, hàm lƣợng NH4+ cũng tăng (do chất hữu cơ phân giải trong điều kiện yếm khí tạo
ra NH4+)... đây là một quá trình có lợi vì cung cấp nhiều chất dinh dƣỡng cho cây.

17


CHƢƠNG 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2.1.1. Mục tiêu tổng quát
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thế oxi hóa - khử đến sự phát thải khí CH4 trong
đất trồng lúa phù sa sông Hồng.
2.2.2. Mục tiêu cụ thể
- Sự phát thải khí metan (CH4) trong đất dƣới sự thay đổi của thế oxi hóa - khử
và điều kiện nhiệt độ khác nhau
- Theo dõi thế oxi hóa - khử (Eh) ở điều kiện độ ẩm khác nhau trong điều kiện
nhiệt độ khác nhau
 Từ đó đề xuất các giải pháp tiềm năng, có thể kiểm soát phạm vi Eh để giảm
bớt khả năng phát thải CH4.
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu:
+ Đất phù sa sông Hồng không đƣợc bồi hằng năm. Đất đƣợc lấy tại cánh đồng
thử nghiệm của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, xã Vĩnh Quỳnh, Huyện Thanh
Trì, Hà Nội. Tọa độ 20°56'15.6"N 105°50'30.6"E
+ Rễ lúa: lấy từ lúa đã thu hoạch trồng tại xã Vĩnh Quỳnh, Huyện Thanh Trì,
Hà Nội.
- Địa điểm thí nghiệm: Tại Phòng thí nghiệm - Khoa Khoa học Môi Trƣờng và
Trái Đất – Trƣờng Đại học Khoa học – Đại học Thái Nguyên.

- Thời gian tiến hành: Từ 01/11/2014 đến 02/01/2015
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu
Báo cáo này trình bày kết quả phát thải khí nhà kính từ đất trồng lúa phù sa sông
Hồng cấy 2 vụ hằng năm. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hƣởng của thế oxi
hóa - khử đến sự phát thải cũng nhƣ lƣợng khí khí CH4 trong điều kiện phòng thí nghiệm.
18


2.3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu, đề tài thực hiện nội dung nghiên cứu sau:
- Tiến hành các thí nghiệm về sự thay đổi Eh dƣới điều kiện độ ẩm khác nhau
của đất trồng lúa phù sa sông Hồng tại phòng thí nghiệm và xử lý kết quả.
- Theo dõi sự phát thải khí metan (CH4) và sự thay đổi Eh trong đất thí nghiệm
dƣới sự thay đổi độ ẩm và điều kiện nhiệt độ khác nhau.
- Tính toán lƣợng CH4 phát thải của đất trồng lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp luận tổng quát
Giữa thế oxi hóa - khử trong đất và sự phát thải khí CH4 và CO2 đều có mối
quan hệ. Phát thải khí metan xảy ra dƣới đất cụ thể là điểm khả năng oxi hóa khử, và
tỷ lệ phát thải là tỷ lệ nghịch với khả năng oxi hóa khử đất [1]. Do đó phƣơng pháp
nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm để tiến hành thí nghiệm, phân tích theo dõi sự phát
thải khí metan (CH4) và sự thay đổi Eh trong đất thí nghiệm dƣới sự thay đổi của thế
oxi hóa - khử và điều kiện nhiệt độ khác nhau, phân tích hóa học để tính lƣợng CH4
thải ra trong đất trồng lúa. Đồng thời dùng phương pháp tìm kiếm dữ liệu để khám phá
hay dịch thuật tài liệu mới và phương pháp thống kê để hệ thống hóa các chỉ tiêu cần
thống kê, tiến hành tổng hợp thống kê, phân tích số liệu. Ứng dụngphần mềm SPSS
20.0 phân tich thống kê số liệu và lập phƣơng trình tƣơng quan đơn biến hoặc đa biến
của ảnh hƣởng của Eh, nhiệt độ đối với sự hình thành của CH4.
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm
a. Thời gian tiến hành thí nghiệm

- Từ 01/11/2014 đến 02/01/2015
b. Vật liệu và thiết bị thí nghiệm
* Thiết bị
- Chai nhựa loại 1,5 lít, tráng rửa sạch, làm khô, dán nhãn.
- Mẫu nhãn
- Bể điều hòa
19