Sử dụng tư liệu ảnh MODIS và mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng

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

Phan Văn Trọng

SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC
TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ HOẠT ĐỘNG CANH TÁC
LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016


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

Phan Văn Trọng

SỬ DỤNG TƯ LIỆU ẢNH MODIS VÀ MÔ HÌNH DNDC
TÍNH TOÁN LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ HOẠT ĐỘNG
CANH TÁC LÚA NƯỚC TRÊN ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG

Chuyên nghành: Bản đồ - Viễn thám và Hệ thông tin địa lý
Mã số: 60 44 02 14
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS Phạm Văn Cự

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Hà nội, 2016


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS. TS.
Phạm Văn Cự, là người trực tiếp hướng dẫn, nhiệt tình chỉ bảo cho tôi ngay từ những
bước đi đầu tiên trên sự nghiệp nghiên cứu mà trước tiên là hoàn thành luận văn này.
Không những thế, thầy còn là người luôn động viên, khuyến khích tôi trong những lúc
khó khăn cả về tinh thần và sự nghiệp.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt và nâng cao
những kiến thức về chuyên ngành trong thời gian học tập tại khoa Địa lý trường Đại
học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội. Đặc biệt là sự giúp đỡ của các thầy
cô tại bộ môn Bản đồ - Viễn thám và Hệ thông tin Địa lý.
Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh chị của lớp cao học K13-Bản đồ
Viễn thám và GIS đã luôn ủng hộ và tạo không khí vui vẻ, thoải mái trong quá trình
học tập cũng như trong quá trình tôi làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn dự án: “Nghiên cứu biến động sử dụng đất dưới tác
động của hoạt động kinh tế - xã hội và của biến đổi khí hậu toàn cầu (nghiên cứu
trường hợp tại đồng bằng sông Hồng và vùng núi Tây Bắc Việt Nam” đề tài nghị định
thư Việt – Bỉ đã cung cấp nguồn dữ liệu để tôi thực hiện được luận văn này.
Lời cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự động viên, ủng hộ về tinh thần của bố mẹ tôi,
anh chị tôi. Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp vì những trao đổi kinh nghiệm và hỗ
trợ để tôi hoàn thành bản luận văn này.
Hà Nội, ngày…tháng…năm 2016.
Học viên cao học

Phan Văn Trọng


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. 5
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 6
Tính cấp thiết ............................................................................................................. 6
Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 8
Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................ 8
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 8
Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................... 9
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 9
Cấu trúc của luận văn ................................................................................................ 9
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 10
CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC .......................................... 10
1.1.

Phát thải Methane từ canh tác lúa nước............................................................ 10

1.1.1.

Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa ........................................................... 11

1.1.2.

Cơ chế hình thành và phát thải mêtan........................................................ 18

1.2.

Tách chiết lúa từ ảnh MODIS........................................................................... 19

1.3.

Các mô hình phát thải khí nhà kính .................................................................. 25

CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 28

1


TÍNH TOÁN PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA THEO MÔ HÌNH DNDC Ở
ĐỒNG BẰNG SÔNG HỒNG ....................................................................................... 28
2.1

Khu vực nghiên cứu.......................................................................................... 29

2.1.1.

Điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên ................................................ 29

2.1.2.

Đặc điểm về kinh tế xã hội ........................................................................ 32

2.1.3.

Tình hình sản xuất lúa và đặc điểm mùa vụ lúa đồng bằng sông Hồng .... 34

2.2

Sử dụng tư liệu MODIS tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước .. 36

2.2.1

Cơ sở dữ liệu nghiên cứu ........................................................................... 36

2.2.2

Phân loại đa thời gian và thành lập bản đồ vùng trồng lúa........................ 47

2.2.3

Ứng dụng mô hình DNDC tính toán lượng phát thải CH4 ........................ 58

CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 66
PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC Ở ĐÔNG BẰNG SÔNG HỒNG .... 66
3.1

Kết quả phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ...................................................... 66

3.2

Kiểm chứng kết quả .......................................................................................... 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 78
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 88

2


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Kết quả kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000 .................... 13
Bảng 2.1: Nông lịch cấy lúa ở Đồng bằng sông Hồng................................................... 35
Bảng 2.2: Bảy kênh phổ đầu tiên của MODIS ............................................................... 37
Bảng 2.3: Tên các loại đất trên đồng bằng sông Hồng theo hệ phân loại Việt Nam ......... 40
Bảng 2.4 : Ký hiệu và một vài tính chất lý - hóa học của đất tại Hà Nội .......................... 41
Bảng 2.4: Lịch gieo trồng của một số tỉnh trên đồng bằng sông Hồng ......................... 45
Bảng 2.5: Lượng phân bón theo điều tra phỏng vấn của một số tỉnh [6] ...................... 46
Bảng 2.6. Ma trận đánh giá sai số giữa thực tế và kết quả từ MODIS [1] .................... 55
Bảng 2.7: Tổng hợp dữ liệu và nguồn dữ liệu cho vùng đồng bằng sông Hồng. .......... 61
Bảng 2.8: File biên tập dữ liệu khí tượng cho từng trạm khí tượng .............................. 64
Bảng 3.1: Lượng phát thải CH4 trung bình trên đồng bằng sông Hồng......................... 66
Bảng 3.2: Lượng phát thải CH4 trung bình theo từng tỉnh ............................................. 69
Bảng 3.3: Lượng phát thải tính toán từ mô hình và đo thực nghiệm ............................. 73
Bảng 3.4: Lượng phát thải tính toán từ mô hình và đo thực nghiệm ............................. 75

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp ...................................................... 11
Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường ........................ 14
Hình 1.3. Quan sát vùng lũ và lúa mới cấy sử dụng dữ liệu VGT tổ hợp 10 ngày........ 23
Hình 1.4. Sự biến động của các chỉ số thực vật (NDVI, EVI) và chỉ số nước bề mặt
(LSWI) trong 1 pixel đất trồng lúa chọn làm mẫu ở Indonesia ..................................... 25

Hình 2.1: Sơ đồ khối tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước..................... 28
Hình 2.2: Vị trí các tỉnh đồng bằng sông Hồng trong Việt Nam ................................... 30
Hình 2.3: Diện tích trồng lúa trên đồng bằng sông Hồng từ 1995 – 2014 [2] ............... 35
Hình 2.4: Bản đồ đất đồng bằng sông Hồng .................................................................... 39
Hình 2.5: Nhiệt độ và lượng mưa hàng ngày các trạm khí tượng năm 2010 ................. 43
Hình 2.6: Minh họa mô phỏng lớp nước mặt ruộng (chế độ ngập nước thường xuyên).
........................................................................................................................................ 44
Hình 2.7: Sơ đồ phương pháp tách chiết lúa từ ảnh MODIS ......................................... 50
Hình 2.8: Tính toán các chỉ số LSWI, NDVI, EVI ........................................................ 51
Hình 2.9: Đồ thị phổ theo mùa của các giá trị LSWI, NDVI, EVI theo mùa của khu vực
Đồng bằng sông Hồng .................................................................................................... 53
Hình 2.10: Sơ đồ tuyến thực địa kiểm chứng trên Đồng bằng sông Hồng [1] .............. 54
Hình 2.11: Các điểm mẫu lúa thu thập trên ĐBSH ........................................................ 54
Hình 2.12: Bản đồ lúa vụ Đông Xuân trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 ............... 56
Hình 2.13: Bản đồ lúa vụ Hè Thu trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 ...................... 57
Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mô hình DNDC .................................................................... 59
Hình 2.15: Sơ đồ kết hợp cấu trúc dữ liệu để chạy mô hình DNDC ở qui mô vùng áp
dụng cho đồng bằng sông Hồng ..................................................................................... 63
Hình 3.1: Phân bố không gian của CH4 trên đồng bằng sông Hồng vụ Đông Xuân ..... 67
Hình 3.2: Phân bố không gian của CH4 trên đồng bằng sông Hồng vụ Hè Thu............ 68
Hình 3.3: Phát thải CH4 trung bình từng tỉnh trên đồng bằng sông Hồng ..................... 70
Hình 3.4: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi lượng phát thải giữa 2 mùa vụ ......................... 71
Hình 3.5: Cường độ khí CH4 phát thải (mgC/m2/giờ) trên ruộng lúa vụ Mùa [6] ........ 74

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐBSH

Đồng bằng sông Hồng

GOS

Tổng cục thống kê

CH4

Mê tan

DNDC

DeNitrification - DeComposition

MODIS

Dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS

GIS

Hệ thông tin địa lý

FAO

Tổ chức nông lương thế giới

ĐHNN

Đại học Nông nghiệp

CLT&TP

Cây lương thực và Thực phẩm

CH4

Khí Methane

5


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết
Trên thế giới, cây lúa được 250 triệu nông dân trồng, đây là nguồn lương thực
chính của 1,3 tỉ người nghèo nhất trên thế giới, chiếm tới trên 11% diện tích cây trồng
trên toàn thế giới , là sinh kế chủ yếu của người nông dân. Ở Việt Nam, lúa gạo cũng là
nguồn lương thực chính của 100% người dân. Từ các cánh đồng lúa ở vùng đồng bằng
cho đến những thửa ruộng bậc thang vùng miền núi, việc trồng lúa nước từ lâu đã là
một đặc trưng cơ bản của nền nông nghiệp Việt Nam (Castella and Erout 2002), mà cụ
thể là ở đồng bằng sông Hồng. Vì vậy tìm hiểu sự phân bố không gian của các cánh
đồng lúa là vấn đề rất quan trọng để đánh giá sản lượng lúa hàng năm, chế độ nước
tưới, nguồn nước, và quản lí sử dụng đất. Thêm vào đó các nghiên cứu còn chỉ ra rằng
lúa đóng góp một phần quan trọng trong việc phát thải khí nhà kính mà đặc biệt là khí
Methane (CH4).
Methane (CH4) là một trong ba loại khí nhà kính (Methane, nitơ oxit N2O và
carbon dioxide CO2) đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn cầu, đứng thứ 2 sau carbon
dioxide.. CH4 có lượng phát thải đáng kể bắt nguồn từ hệ sinh thái nông nghiệp. Do đó,
nông nghiệp là một trong những mục tiêu cho các nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính. Khí
CH4 được phát thải qua quá trình biến đổi sinh học trong môi trường yếm khí như ờ

đẩm lầy, đất ngập nước. Sự phát thải Methane chủ yếu là từ canh tác lúa nước, chăn
nuôi gia súc, các vùng đất ngập nước và các ngành công nghiệp than đá, khí. Trong đó,
canh tác lúa nước đóng góp phần lớn vào sự tăng lên của CH4 trong khí quyển suốt thế
kỷ qua (IPCC, 2007).
Vì vậy việc tính toán lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước và
đánh giá khả năng giảm thiểu lượng khí CH4 thông qua quản lý nguồn nước tưới, chế
độ canh tác và đề xuất một chế độ canh tác khoa học nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất
(giảm lượng giống, giảm phân bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi

6


trường (giảm Methane phát thải) cho từng vùng đất trồng lúa là rất có ý nghĩa và cần
thiết.
Ở Việt Nam, dữ liệu về lúa được cung cấp qua 2 nguồn: thống kê nông nghiệp
hàng năm từ Tổng cục thống kê vàkiểm kê sử dụng đất năm năm một lần. Chính vì thế
rất khó để có thể kịp thời có được thông tin về thống kê và không gian của cây lúa
trong 1 khoảng thời gian nhất định, mặc dù lúa gạo có vai trò to lớn trong an ninh
lương thực. Những năm qua, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đã và đang có nhiều
nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đa thời gian trong theo dõi mùa màng nói chung
và mùa vụ lúa nói riêng. Tùy vào yêu cầu về mức độ chi tiết của nghiên cứu mà dữ liệu
viễn thám với độ phân giải không gian khác nhau có thể được lựa chọn. Các tư liệu
viễn thám quang học độ phân giải cao như Landsat, SPOT và siêu cao như IKONOS và
Quickbird có thể sử dụng để theo dõi chi tiết từng thửa ruộng. Tuy nhiên với giá thành
cao và phần lớn thời gian mà mùa vụ lúa trồng ở miền nhiệt đới là vào mùa mưa, thời
gian mà hiếm khi có được ảnh quang học không bị mây che phủ nên tư liệu viễn thám
độ phân giải cao hiện thường được sử dụng cho khu vực nông nghiệp quy mô nhỏ. Đối
với việc giám sát vùng trồng lúa rộng lớn, thì những tư liệu viễn thám có độ phân giải
không gian trung bình hoặc thấp (250 – 1000 m) và chu kỳ lặp lại nhanh (hàng ngày)
như ảnh NOAA/AVHRR hoặc MODIS thường được sử dụng cho việc theo dõi sự tăng

trưởng của mùa vụ lúa.
Từ những nhận định trên khả năng ứng dụng viễn thám và GIS trong tính toán
lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước có mối quan hệ như thế nào? và Ảnh hưởng
của chế độ tưới tiêu, phân bón, đất, tới lượng phát thải CH4 trên đồng bằng sông Hồng
ra sao? với mục đích nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất (giảm lượng giống, giảm phân
bón, giảm nước) đồng thời có ý nghĩa bảo vệ môi trường (giảm Methane phát thải) cho
từng vùng đất trồng lúa có ý nghĩa như thế nào. Để trả lời các câu hỏi trên học viên đã
lựa chọn đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng dữ liệu MODIS và mô hình DNDC tính toán
lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước trên đồng bằng sông Hồng”.
7


Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá phát thải khí Methane CH4 từ hoạt động canh tác lúa nước.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Thu thập, phân tích, đánh giá hiện trạng canh tác lúa trên đồng bằng sông
Hồng, phân tích những nét đặc trưng riêng của vùng.
- Thu thập lịch thời vụ, lịch gieo trồng, số liệu khí tượng, thống kê số liệu về
việc trồng và sản xuất lúa.
- Thu thập số liệu tính toán phát thải từ các đề tài, báo cáo trước nhằm mục
đích kiểm chứng độ chính xác của mô hình.
- Đánh giá phân bố không gian của các vùng trồng lúa trên Đồng bằng sông
Hồng theo mùa vụ dựa vào phân tích dữ lệu MODIS.
- Dự đoán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước tại vùng đồng bằng sông
Hồng bằng việc áp dụng mô hình tính toán lượng phát thải kết hợp với viễn thám và
GIS.
- Tìm hiểu thông tin về: chế độ canh tác, nông lịch, chế độ tưới tiêu, phân bón,
các đặc tính của đất…
- Đánh giá ảnh hưởng của đất, chế độ canh tác, chế độ tưới tiêu, lượng phân
bón đến lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước từ đó đề xuất các biện pháp nhằm

giảm thiểu lượng phát thải.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa lượng phát thải CH4 từ hoạt động canh
tác lúa nước kết hợp với tư liệu MODIS.
Phương pháp phân tích thống kê.
Phương pháp bản đồ: thể hiện bản đồ phân bố lượng phát thải CH4, và bản đồ
phân bố lúa qua các thời kỳ, mùa vụ.
Phương pháp phân tích không gian (GIS).
Phương pháp viễn thám
8


Phương pháp điều tra thực địa: điều tra, phỏng vấn.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi không gian: Khu vực Đồng bằng sông Hồng
Phạm vi thời gian: Tính toán, phân tích lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa
nước trên đồng bằng sông Hồng năm 2010 sử dụng tư liệu MODIS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đã chỉ ra được việc kết hợp giữa tư liệu viễn
thám và mô hình nhằm tính toán được lượng phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp
mà cụ thể là tính toán lượng phát thải CH4 từ canh tác lúa nước kết hợp với tư liệu viễn
thám MODIS.
Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu đã tính toán được lượng phát thải CH4 từ lúa từ
đó làm cơ sở cho việc đánh giá hiện trạng, dự báo và tìm ra các giải pháp nhằm giảm
thiểu lượng CH4 phát thải thông qua các biện pháp canh tác thích hợp.
Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 3 chương cùng với phần Mở đầu, Kết luận, Kiến nghị, Tài
liệu tham khảo. Dưới đây là tiêu đề các chương:
Chương 1: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu mô hình tính toán lượng
phát thải CH4 từ canh tác lúa nước.

Chương 2: Tính toán phát thải CH4 từ canh tác lúa theo mô hình DNDC ở đồng
bằng sông Hồng.
Chương 3: Phát thải CH4 từ canh tác lúa nước ở đồng bằng sông Hồng.

9


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
LƯỢNG PHÁT THẢI CH4 TỪ CANH TÁC LÚA NƯỚC
1.1. Phát thải Methane từ canh tác lúa nước
Trong những năm gần đây, hàm lượng Methane CH4 trong khí quyển tăng lên rất
nhanh, gấp 3 lần kể từ thời kỳ tiền công nghiệp trong đó con người đóng góp 1/5, làm
ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu. Mật độ trung bình CH4 trên bề mặt trái
đất là 1745 ppb. Gần đây, nồng độ phát thải Methane tăng chứng tỏ tỷ lệ phát thải
Methane từ bề mặt Trái đất gần cân bằng với tỷ lệ phân hủy Methane trong khí quyển.
Tuy nhiên, kể từ đầu năm 2007, sự cân bằng này bị phá vỡ dẫn đến có thêm hàng triệu
tấn Methane thải vào khí quyển. Nguồn phát thải Methane (CH4) là các vùng đất ngập
nước, vựa lúa, gia súc và các ngành công nghiệp than đá và khí. Sự gia tăng phát thải
Methane ở bán cầu Bắc do thời tiết ấm lên nhiều theo quan trắc ở Sibêri năm 2007, sẽ
làm cho vi khuẩn ở các vùng đất ngập nước thải ra nhiều khí Methane hơn [6].
Methane là khí thải nhà kính quan trọng và đóng góp 18% vào sự ấm lên toàn
cầu, đứng thứ 2 sau carbon dioxide. Tiềm năng làm ấm toàn cầu của Methane là 75
(tính trung bình qua 20 năm) hay 25 (tính trung bình qua 100 năm). Chúng ta phải sử
dụng các biện pháp giảm thải Methane. Đất ngập nước trong đó có đất lúa nước được
coi là một trong những nguồn phát thải Methane chính, góp tới 10% tổng lượng thải
của bề mặt trái đất mặc dù loại đất này chỉ chiếm 0,3% diện tích bề mặt. Vì là một
dạng khí nhà kính tiềm năng nên việc giảm Methane có một tác động đến biến đổi khí
hậu to lớn hơn là giảm carbon dioxide. Ngoài ra, Methane có thời gian tồn lưu tương
đối ngắn, khoảng 12 năm so với carbon dioxide- 120 năm [5, 6].

Methane, nitơ oxit cũng như carbon dioxide là nguồn khí thải đang được sự chú ý
và quan tâm thông qua các tác động của chúng trên bức xạ hóa học và bức xạ của khí
quyển dẫn đến sự nóng lên toàn cầu. Hơn nữa, cả ba loại khí nhà kính quan trọng nhất

10


có lượng phát thải đáng kể từ hệ sinh thái nông nghiệp. Do đó, nông nghiệp là một
trong những mục tiêu cho các nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính [8].
Trong suốt những năm 1980, phát thải cacbon từ thay đổi sử dụng đất ở Việt Nam
được ước tính khoảng 58 triệu tấn/ năm, gấp mười lần lượng khí thải carbon từ sử dụng
nhiên liệu hóa thạch. Phát thải Methane từ chăn nuôi và trồng lúa (nguyên nhân chính)
đã được ước tính khoảng 3.000.000 tấn/năm. Các kết quả từ Báo cáo thống kê quốc gia
về khí thải gây hiệu ứng nhà kính vào năm 1994 cho thấy, tổng lượng khí thải gây hiệu
ứng nhà kính khí 103,8 triệu tấn CO2 tương đương, và 1,4 tấn CO2 tương đương bình
quân đầu người, trong đó nông nghiệp đóng góp 50,5% tổng số khí nhà kính phát thải.

Hình 1.1: Phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp
(Nguồn: Thông báo quốc gia Việt Nam (Bộ TN & MT, 2003))
1.1.1. Tổng quan về sự phát thải ở đất lúa
1.1.1.1. Phát thải Mêtan (CH4) trên ruộng lúa nước
Bên cạnh CO2, khí Methane cũng đóng góp một vai trò lớn của việc nóng lên
toàn cầu. Mặc dù hàm lượng phát thải khí Methane (CH4) toàn cầu thấp hơn phát thải
khí CO2 nhiều nhưng CH4 là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn; một tấn khí CH4
11


gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn một tấn CO2 đến 23 lần. Giống như CO2, khoảng 60%
lượng phát thải khí CH4 toàn cầu có từ các nguồn do con người gây ra và hàm lượng
CH4 trong khí quyển đã tăng lên khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên chính phủ về

thay đổi khí hậu - Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC, 1996) [6].
Phát thải CH4 trên ruộng lúa nước đã được phát hiện từ lâu, theo IRRI thì một
lượng lớn CH4 phát thải lần đầu tiên được phát hiện ở vùng trồng lúa của Mỹ và Châu
Âu. Sau đó những nghiên cứu chi tiết được tiến hành ở Ý, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật
Bản và Đông Nam Á. Theo đánh giá của ban liên ngành chính phủ về biến đổi khí hậu
(IPPC, 1996) thì tổng lượng CH4 phát thải từ các vùng trồng lúa nước dao động từ 200
– 100 Tg/năm (Tg – triệu tấn) [7].
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 (Nguyễn Mộng Cường vcs, 1999). Đến năm 2000,
qua kết quả kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nông nghiệp là 65,1 triệu tấn
cácbon 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 CH4 trong đó trồng lúa phát thải 1559,7
nghìn tấn các bon/năm (chiếm 62,4%). Lượng phát thải từ lĩnh vực chăn nuôi chiếm
18,7%. Phát thải từ diện tích đất nông nghiệp khác chiếm 15,4%, còn lại là do đốt phế
thải. Điều đó cho thấy trong nông nghiệp thì trồng lúa nước là nguồn phát thải chủ yếu.
Lượng CH4 phát thải và khí quyển do trồng lúa ở Việt Nam chiếm tỷ trọng lớn so với
các hoạt động sản xuất nông nghiệp khác.
Trong năm 2010, tổng lượng phát thải khí nhà kính tại Việt Nam là 246,8 triệu
tấn CO2 tương đương bao gồm lĩnh vực Sử dụng đất, thay đổi sử dụng đất và lâm
nghiệp (LULUCF) và 266 triệu tấn CO2 tương đương không bao gồm LULUCF. Phát
thải khí nhà kính trong lĩnh vực năng lượng chiếm tỷ trọng lớn nhất là 53,05% của tổng
lượng phát thải không tính LULUCF, tiếp theo là lĩnh vực nông nghiệp chiếm 33,20%.

12


Phát thải từ các lĩnh vực quá trình công nghiệp và chất thải tương ứng là 7,97% và
5,78%.
Bảng 1.1: Kết quả kiểm kê khí nhà kính khu vực nông nghiệp năm 2000

CH4

N4O

CO

Oxit

CO2 tổng

(Gg)

(Gg)

(Gg)

nitrogen

cộng (Tg)

%

NOx

Trồng lúa

1.782,37

37,43

57,5

- Tiêu hóa thức ăn

368,12

7,73

11,88

- Quản lý chất thải

164,16

3,45

5,30

14,22

21,85

0,59

0,91

Chăn nuôi gia súc

Đất nông nghiệp
Đất Savan đồng cỏ

45,87
9,97

Đốt các phế thải 59,13

1,23

261,71

4,46

1,39

1.241,68 50,28

1,67

2,75

1.503,39 54,74

65,09

100,0

trên đồng ruộng
Tổng số

2.383,75 48,49

1.1.1.2. Các con đường hình thành khí CH4 trên ruộng lúa
Khí CH4 phát thải từ ruộng lúa vào khí quyển theo ba con đường chính là: từ bọt
khí CH4 dưới đất, khuếch tán và phát thải từ cây lúa thông qua khí khổng của cây.
Nhưng hiện tượng khuếch tán chỉ đóng góp khoảng 1% tổng lượng khí CH4, trong khi
khí CH4 đi vào khí quyển ở dạng bọt khí chiếm tới 10% tổng lượng phát thải từ đất
lúa, phần chủ yếu phát tán là thông qua thân cây lúa chiếm 90% tổng lượng phát thải
của đất lúa ngập nước [6].
Con đường chính phát thải CH4 từ ruộng lúa là qua cây lúa chứ không chỉ từ đất.
Nguyên nhân phát thải khí nhà kính gồm có: các quá trình tự nhiên (hoạt động phân
huỷ chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí) và hoạt động của con người (đốt cháy

13


nguyên liệu hoá thạch như than, dầu mỏ, khí đốt; sản xuất xi măng; chăn nuôi; các hoạt
động nông nghiệp khác, phân giải chất thải hữu cơ) [6].

Hình 1.2: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường
(Theo Schutz và cộng sự, 1989).
1.1.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí CH4
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phát thải như: chế độ nước, phân bón,
tính chất đất, quá trình sinh trưởng của cây lúa có ảnh hưởng đến Eh. Khi động thái của
Eh thay đổi thì sự phát thải của CH4 cũng thay đổi theo. Nói cách khác, những yếu tố
ảnh hưởng đến Eh cũng chính là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải của CH4. Vấn đề
này trong những năm gần đây cũng được nhiều tác giả nghiên cứu.
Nước trên mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ không khí vào
đất nên ngăn cho quá trình oxi hóa chất hữu cơ của đất, kết quả là các chất hữu cơ này
lên men yếm khí và tạo ra khí CH4. Vì vậy, chế độ nước trên ruộng lúa cũng là nguyên
14

nhân dẫn tới sự phát thải khí CH4. Sự phát thải CH4 phụ thuộc vào một số yếu tố như
quản lý, điều tiết chế độ nước trên mặt ruộng, lượng phân hữu cơ và vô cơ bón vào
ruộng, đặc tính của giống lúa và môi trường tự nhiên [6].
Ấn Độ là một nước đông dân thứ hai, đồng thời là nước sản xuất lúa gạo quan
trọng trên thế giới. Đất lúa tại Ấn Độ được phân thành: đất canh tác lúa nhờ nước tưới,
nhờ mưa, ngập sâu và canh tác ở vùng cao. Canh tác lúa ngập sâu nghĩa là các ruộng
lúa ngập 50 – 100cm. Hầu hết các ruộng lúa nước là được tưới nhờ nước mưa, ngập
sâu và chỉ có khoảng 15% đất lúa là canh tác ở vùng cao, loại đất lúa này không được
coi là nguồn phát thải khí Methane vì ở đây không được cung cấp đủ nước tưới trên
mặt ruộng. Vùng đất lúa ngập nước mới là nguồn phát thải CH4 chính. Chính vì vậy,
tưới nước là một yếu tố quan trọng quyết định đến sự phát thải khí CH4 [6].
Trong mô hình nghiên cứu của Granberg và cộng sự (2001) thì mực nước trên
ruộng là yếu tố quan trọng nhất và duy nhất để dự báo lượng khí phát thải ở những
vùng đầm lầy ở miền Bắc Thuỵ Điển (r2=0,58).
Phân đạm có ảnh hưởng hoặc giảm sự oxy hoá CH4 trong đất. Ảnh hưởng của
phân đạm có thể do giảm lượng oxy trong đất làm cho các phản ứng của chấ hữu cơ
trong đất ở điều kiện yếm khí và tăng khả năng nitrit hoá dẫn tới làm tăng các enzym
Methane hoá. Bằng chứng của cơ chế này cũng được khẳng định khi người ta bón phân
nitrat vào đất so với đất không được bón phân trong thí nghiệm trồng hành ở Nhật Bản.
Việc trồng lúa theo các phương thức: cấy mạ 30 ngày tuổi; gieo sạ trên đất ngập
nước; gieo sạ trên đất ẩm làm giảm lượng CH4 tương đương 5%; 13% và 37%, khi so
sánh với việc trồng lúa bằng mạ 8 ngày tuổi [6].
Thí nghiệm đo CH4 phát thải tại Bắc Kinh (Trung Quốc) được tiến hành từ năm
1995 – 1998, ruộng cấy 1 vụ lúa (từ tháng 5 đến tháng 10), sau đó bỏ hoang. Khí hậu
khô ẩm và cận nhiệt đới bán khô với lượng mưa trung bình năm 541mm, nhiệt độ cao
nhất 17,800C (tháng 6) và thấp nhất 7,100C (tháng1). Đất thịt nặng, pH = 7,0 hàm
lượng cacbon hữu cơ 0,99%, đạm tổng số 0,09%. Canh tác truyền thống của nông dân
15

theo hình thức tưới ngập và kết hợp tiêu giữa vụ, bón phân chuồng (phân lợn). Lượng
CH4 phát thải biến động 6 -503 kg/ha/vụ, trung bình 109 kg/ha/vụ. Kết quả nghiên cứu
cũng chỉ ra rằng, rút cạn nước giữa vụ có tác dụng giảm 23% lượng CH4 phát thải so
với tưới ngập thường xuyên. Bón phân gà có thể giảm lượng CH4 phát thải 77,5% so
với phân lợn và giảm 69,5% so với bón phân rơm rạ [6].
Điều kiện thí nghiệm trên ruộng cấy 2 vụ lúa, vụ chiêm (từ tháng 1 đến tháng 4)
và vụ mùa (từ tháng 7 đến tháng 10) tại Los Banos (Philipin) từ năm 1994 –
1997, với khí hậu nhiệt độ ẩm và ấm, lượng mưa trung bình năm 2027mm, nhiệt độ cao
nhất 30,600C (tháng 5) và thấp nhất 23,200C (tháng 2), đất sét nhẹ, pH = 6,60, hàm
lượng cacbon hữu cơ 1,2%, đạm tổng số 0,138%, trên ruộng đại trà tưới ngập
thường xuyên và bón phân đạm, lượng CH4 phát thải dao động trong khoảng từ 5 - 634
kg/ha/vụ (vụ xuân), từ 4 - 602 kg/ha/vụ (vụ mùa) [6].
Như vậy chế độ nước và phân bón có ảnh hưởng trực tiếp đến phát thải CH4.
Phân bón hr (hữu cơ) là nguồn sinh ra CH4. Chế độ nước tạo môi trường hình thành
CH4, liên quan chặt chẽ tới chế độ khí trong đất. Khi ngập nước, hệ thống mao quản
của đất bị chiếm chỗ, làm lượng không khí và O2 (chất oxy hóa) ít, tạo nên môi trường
yếm khí (khử), diễn ra quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ thành CH4 [7].
Sự phát thải CH4 ở đất lúa ngập nước cũng như ảnh hưởng của chế độ nước mặt
ruộng, chế độ bón phân đến phát thải CH4 đã được nghiên cứu rộng rãi ở nhiều nước
trên thế giới. Trong Chương trình nghiên cứu liên vùng về phát thải khí mêtan trên
ruộng lúa ở Châu Á do Quỹ môi trường toàn cầu tài trợ, Viện nghiên cứu lúa quốc tế
(IRRI) đã phối hợp với Viện nghiên cứu Môi trường khí (Cộng hòa liên bang Đức) và
các Viện nghiên cứu nông nghiệp các nước Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesi, Thái Lan và
Philippin tiến hành thí nghiệm phát thải CH4 trên ruộng từ năm 1993÷1999 , tại các địa
điểm đại diện vè hệ sinh thái nông nghiệp và chế độ quản lý nước mặt ruộng trong
vùng [7].
1.1.1.4. Ảnh hưởng của các yếu tố khác đến phát thải Methane trên ruộng lúa
16

a- Ảnh hưởng của các tính chất lý – hóa học đến phát thải CH4
Theo IRRI, 1992, sự liên quan của quá trình phát thải CH4 với Eh, pH và nhiệt
độ như sau:
- Sự phát thải CH4 của đất nhìn chung dao động trong khoảng 0 ÷1.200
mg/m2/ngày. Sự phát thải nhiều hay ít phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể.
- Độ pH hầu như không có mối liên hệ với sự phát thải CH4. Mặt khác trong
suốt chu kỳ ngập nước và thời gian sinh dưỡng của cây lúa, độ pH ít biến đổi và dao
động trong khoảng 6÷7.
- Giá trị Eh có tương quan với sự phát thải CH4. Khi Eh giảm thì sự phát thải
CH4 xảy ra mạnh [7].
Thành phần cơ học của đất cũng có liên quan đến sự phát thải CH4. Ở điều kiện
đất cát thì CH4 phát thải lớn hơn ở đất sét là do đất cát có hệ thống mao quản lớn nên
dễ dẫn thoát các chất khí trong đất. Một tính chất liên quan chặt chẽ đến sự phát thải
CH4 trong đất là hàm lượng chất hữu cơ cũng được nhiều tác giả khẳng định: đất giàu
chất hữu cơ thì CH4 phát thải càng lớn. Vì chất hữu cơ là sản phẩm ban đầu để sinh ra
CH4 [7].
b- Ảnh hưởng của trồng lúa và mùa vụ đến sự phát thải CH4
Theo TanakaA và TananoT (1970), khi đất trồng lúa, đặc biệt ở giai đoạn lúa
phát triển mạnh (thời kỳ đẻ nhánh đến làm đòng) thì Eh tăng hơn so với đất không
trồng lúa. Nguyên nhân được tác giả giải thích là O2 qua lá, thân và ra rễ. Oxy xâm
nhập vào đất làm tăng lượng chất oxy hóa và làm giảm nồng độ chất khử (khử Fe++).
Nếu đất giàu sắt ở dạng khử thì hiện tượng này sẽ dẫn đến làm nghẹt rễ lúa [7].
Kết quả nghiên cứu của Văn Huy Hải (1986) cũng tương tự như nhận định trên.
Tuy nhiên theo tác giả thì hiện tượng trên chỉ gặp ở đất không được làm ải kỹ. Nếu đất
được làm ải kỹ (phơi thật khô) thì khi trồng lúa sẽ làm thế oxy hóa – khử thấp hơn so
với đất không trồng lúa. Nguyên nhân được tác giả giải thích là khi làm ải kỹ sự phát
triển của bộ rễ lúa mạnh, quá trình bài tiết chất hữu cơ (quá trình exudation) diễn ra
17