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

...

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

NGUYỄN ðỨC HÙNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành

: Khoa học ðất

Mã số

: 60.62.15

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

HÀ NỘI – 2011


LỜI CAM ðOAN
Tơi cam đoan đây là cổng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.

Tơi cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong luận văn đều đã ñược
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Nguyễn ðức Hùng

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

i


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành bản luận văn này, tơi đã
nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình, chu đáo của thầy giáo PGS. TS. Nguyễn
Hữu Thành. Bên cạnh đó là sự giúp đỡ q báu của tồn thể các thầy cơ giáo
và cán bộ làm việc tại bộ mơn Khoa học đất, phịng thí nghiệm phịng Thí
nghiệm trung tâm, khoa Tài ngun và Mơi trường, trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội, cùng với sự tương trợ thân ái của bạn bè, gia đình và người
thân.
Với long biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những sự
giúp đỡ q báu đó.
Tác giả luận văn

Nguyễn ðức Hùng

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

ii

MỤC LỤC
Lời cam ñoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Danh mục các chữ viết tắt

v

Danh mục bảng

vi

Danh mục hình

vii

MỞ ðẦU

1

1.1

Tính cấp thiết của ñề tài

1

1.2

Mục ñích và yêu cầu

2

2

TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

3

2.1

Phát thải khí nhà kính

3

2.2

Q trình hình thành khí metan CH4

8

2.3

Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí metan CH4

17

2.4

Các giải pháp giảm thiểu

30

3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

34

3.1

ðối tượng nghiên cứu

34

3.2

Phạm vi nghiên cứu

34

3.3

Nội dung nghiên cứu

34

3.4

Phương pháp nghiên cứu

34

3.4.1

Phương pháp thu thập số liệu.

34

3.4.2

Thời gian tiến hành lấy mẫu

35

3.4.3

Phương pháp lấy mẫu

35

3.4.4

ðịa ñiểm lấy mẫu

35

3.4.5

Phương pháp phân tích

36

3.4.6

Phương pháp tính độ phát thải khí CH4

36

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

iii


3.4.7

Phương pháp xử lý số liệu

37

4:

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

38

4.1

Khái quát một số đặc điểm khí hậu của vùng nghiên cứu

38

4.2

Hiện trạng đất lúa nước của vùng nghiên cứu.

41

4.3

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

42

4.4

Một số tính chất lý, hố học của các đất tại 5 tỉnh nghiên cứu

44

4.5

Xác định lượng khí CH4 phát thải trên đất lúa

49

4.5.1

Lượng khí CH4 phát thải từ đất lúa (thời kỳ ñẻ nhánh rộ) tại các
tỉnh nghiên cứu trong vụ mùa

49

4.5.2

ðộng thái phát thải khí CH4 trong vụ xuân và vụ mùa

50

4.6

Mối quan hệ giữa một số tính chất của ñất với tốc ñộ phát thải
CH4 từ ñất lúa (thời kỳ ñẻ nhánh rộ)

59

5

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ

61

5.1

Kết luận

61

5.2

ðề nghị

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO

62

PHỤ LỤC 1

70

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

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IPCC

Cơ quan Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu

BðKH

Biến đổi khí hậu

KNK

Khí nhà kính

FAO

Tổ chức Nơng lương Thế giới

KTNN

Khí tượng nơng nghiệp

CðPT

Cường độ phát thải

CLT&CTP

Cây lương thực và cây thực phẩm

ðHNN

ðại học Nông nghiệp

HD

Hải Dương

HUA

ðại học Nông nghiệp Hà Nội

HN

Hà Nội

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

v


DANH MỤC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

2.1

Lượng khí metan phát thải do trồng lúa nước ở một số nước

5

2.2

Ước tính lượng thải khí metan từ các nguồn khác nhau

6

4.1

Giá trị một số yếu tố khí hậu vùng đồng bằng sơng Hồng năm
2010.

40

4.2

Diện tích ñất trồng lúa vùng nghiên cứu giai ñoạn 2005-2010.

41

4.3

Lượng NPK trung bình bón cho lúa ở vùng nghiên cứu

42

4.4

Một số tính chất lý, hóa học đất lúa vùng nghiên cứu

47

4.5

Tốc ñộ phát thải khí CH4 từ ñất lúa thời kỳ ñẻ nhánh rộ tại các
tỉnh trong vụ mùa 2010.

49

4.6

Một số ñặc ñiểm của mẫu ñất trước nghiên cứu.

51

4.7

Liều lượng phân bón cho đất thí nghiệm.

52

4.8

Cường độ khí CH4 phát thải trên ruộng lúa vụ xuân và vụ mùa.

53

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

vi

DANH MỤC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

2.1

Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con đường

2.2

Q trình phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng ở điều

8

kiện yếm khí

11

2.3

Giảm đồ ổn định của các hệ oxy hóa-khử phụ thuộc vào Eh và pH

16

2.4

Biểu ñồ ñộng thái phát thải CH4 với nhiệt ñộ, Eh, pH của ñất

ngập nước liên tục và khơng liên tục

2.5

25

Lượng khí CH4 phát thải phụ thuộc vào thế oxy hố khử của đất
khi sinh trưởng của lúa

27

2.6

ðộng thái Eh của ñất trồng lúa và ñất khơng trồng lúa

28

4.1

Một số hình ảnh đốt rơm rạ sau khi thu hoạch

43

4.2

ðộng thái phát thải khí CH4 trong vụ mùa 2010.

56

4.3

ðộng thái phát thải khí CH4 trong vụ Xuân 2011.

58

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

vii


MỞ ðẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Bên cạnh CO2, khí metan cũng đóng góp một vai trị lớn của việc nóng
lên tồn cầu. Mặc dù hàm lượng phát thải khí metan tồn cầu thấp hơn phát
thải khí CO2 nhiều nhưng metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn;
một tấn khí metan gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn một tấn CO2 ñến 23 lần.
Giống như CO2 khoảng 60% lượng phát thải khí metan tồn cầu có từ các
nguồn do con người gây ra và hàm lượng metan 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). Hiện nay, người
ta tập trung chú ý vào hai nguồn khí metan mà chúng ta thường khơng nghĩ
đến là những nhân tố gây ơ nhiễm tự nhiên, đó là khu vực ñầm lầy và các
ruộng lúa nước. Tách các nhân tố góp phần gây biến đổi khí hậu rất phức tạp
bởi vai trị gây ơ nhiễm của các chất này khơng ổn định ở các điều kiện khác
nhau. Ví dụ cây hấp thụ khí CO2 nhưng khi chúng chết và mục đi, chúng thải
khí CO2 trở lại vào khơng khí. Các đầm lầy và ruộng lúa cũng có vai trị kép
như vậy về cả khí CO2 và metan. Chúng vừa là nguồn phát thải khí gây ấm
nóng tồn cầu và đồng thời là bể chứa. Sử dụng các số liệu vệ tinh, các nhà
khoa học khẳng ñịnh rằng các ñầm lầy góp 53 – 58% phát thải khí CH4 tồn
cầu và các ruộng lúa góp hơn một phần ba số đó (IPCC, 1996).
Ở Việt Nam tuy có một số tác giả nghiên cứu bước đầu về khí gây hiệu

ứng nhà kính ở khu vực nông nghiệp nhưng chưa chú ý tới sự phát thải CH4
trên các ñất canh tác lúa nước khác nhau. Do đó, việc nghiên cứu về tình hình
phát thải CH4 trên các loại ñất lúa nước khác nhau trong điều kiện của Việt
Nam có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, ñây cũng là lý do chúng tôi tiến

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

1


hành đề tài nghiên cứu: “Tình hình phát thải khí metan do hoạt ñộng canh
tác lúa nước ở khu vực đồng bằng sơng Hồng”.
1.2. Mục đích và u cầu
1.2.1. Mục đích
Nghiên cứu tình hình phát thải khí metan trên đất của các kiểu sử dụng
ñất lúa khác nhau (2 lúa, 2 lúa – 1 màu) ở khu vực ñồng bằng sơng Hồng.
1.2.2. u cầu
Lấy được mẫu khí CH4 trên các loại đất lúa khác nhau.

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

2


2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU
2.1. Phát thải khí nhà kính
2.1.1. Phát thải khí nhà kính
Sự nóng lên tồn cầu gây ra BðKH chính là do sự tăng lên không
ngừng của KNK mà chủ yếu là sử dụng nguyên liệu hóa thạch, phá rừng.
Theo báo cáo khoa học lần thứ 4 của Ủy ban Liên chính phủ về thay đổi khí

hậu, IPCC năm 2007, nồng độ khí CO2 tăng 280 ppmv lên 379 ppmv, khí
metan tăng từ 715 ppbv lên 1774 ppbv và N2O cũng tăng từ 270 ppbv lên trên
319 ppbv. Lượng phát thải KNK do ñốt nhiên liệu hóa thạch hàng năm phát
thải từ 6,4 tỷ tấn CO2 trong thập kỷ 90 của thế kỷ trước ñã lên tới 7,2 tỷ tấn
hàng năm trong giai ñoạn 2000 – 2005. Tác động của BðKH trên phạm vi
tồn cầu hơn 100 năm qua có những biểu hiện chính như sau:
- Nhiệt độ trung bình tăng khoảng 0,70C trong kỳ 1906 – 2005, tốc ñộ
tăng của nhiệt ñộ trong 50 năm gần đây gấp đơi so với 50 năm trước đó.
- Trong thế kỷ 20, trung bình mực nước biển dâng 1,8 mm/năm, riêng
thập kỷ vừa qua tăng 3,1mm/năm. Vào cuối thế kỷ 21, dự báo nhiệt độ tồn
cầu có thể tăng thêm 1,1 -6,40C và mực nước biển sẽ dâng cao ít nhất từ 2,8 –
4,3 mm/năm.
- Lượng mưa có chiều hướng tăng lên trong thời kỳ 1900 – 2005 ở phía
Bắc vĩ độ 30º, nhưng có xu hướng giảm kể từ 1970 ở vùng nhiệt ñới.
- Từ năm 1970, hạn hán thường xuyên xảy ra ở vùng nhiệt ñới và cận
nhiệt ñới.
- Các cơn bão mạnh và có quỹ đạo bất thường gia tăng kể từ năm 1970.
- Có những biến đổi trong chế độ hồn lưu quy mơ lớn trên lục địa và
đại dương, dẫn đến sự gia tăng về số lượng và cường ñộ hiện tượng El Nino.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

3


Theo dự báo tại Việt Nam, sẽ diễn ra một số biến đổi là nhiệt độ trung
bình năm tăng 0,10C mỗi thập kỷ; mực nước biển dâng 5 cm mỗi thập niên, sẽ
dâng khoảng 33 -45 cm vào 2070 và 100 cm ñến năm 2011. Việt Nam là 1
tỏng 5 nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của BðKH và mực nước biển dâng
cao. Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, nếu mực nước biển dâng cao 1
m, Việt Nam sẽ mất 12% diện tích đất và ảnh hưởng tới 10,8% dân số. BðKH

dẫn ñến các trận bão xảy ra thường xuyên, với mức ñộ tàn phá nặng nề hơn.
2.1.2. Metan, khí gây hiệu ứng nhà kính
Khí CH4 là một khí nhà kính quan trọng, nồng độ của khí này trong
khí quyển đã tăng gấp đơi kể từ trước thời kỳ cơng nghiệp, tăng nồng độ từ
715 ppbv lên 1774 ppbv. Hơn 20 năm qua, tỉ lệ tăng này có chững lại chút ít.
Cuối những năm 70 của thế kỷ trước, nồng ñộ tăng ở mức 20 ppmv/ năm.
Nhưng trong những năm 80 của thế kỷ trước, tỉ lệ tăng này chỉ là 9 – 13
mmpv. Giữa những năm 1992, nồng độ khí metan ở mức ổn định, khơng
thay ñổi nhưng kể từ năm 1993, tốc ñộ tăng nồng ñộ ổn ñịnh khí metan là 8
ppmv/năm (1997) [3].
Khí CH4 là một khí nhà kính gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn CO2,
nó có khả năng gây ấm lên tồn cầu mạnh hơn 21 lần so với CO2. Tuy nhiên
thời gian tồn tại của khí này trong khí quyển ngắn hơn, chỉ khoảng 12 năm,
người ta ước tính rằng lượng phát thải trên tồn cầu chỉ cần giảm đi 8% so
với mức nồng độ hiện nay thì nồng độ metan trong khí quyển sẽ ổn định
(IPCC, 1996). Mức giảm này là khá nhỏ so với những khí gây hiệu ứng nhà
kính khác là CO2 và N2O.

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

4


Bảng 2.1: Lượng khí metan phát thải do trồng lúa nước ở một số nước
Tổng

Lượng CH4 phát

Lượng CH4 phát

lượng

thải do trồng lúa

thải do trồng lúa

CH4 phát

so với tổng lượng

nước so với tổng

thải

metan thải

lượng khí nhà kính

(triệu tấn)

(%)

(%)

Mỹ năm 2005

328

1,3

0,1

Ý năm 2005

70

3,7

0,3

Nhật năm 2004

274

24,0

0,4

Trung Quốc năm 1994

10182

30,0

5,9

Ấn ðộ năm 2006

6600

35,0

9,8

Quốc gia

Nguồn: Leip, Bocchi, 2007 [36].
Ở Việt Nam, theo kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 1994, lượng khí
nhà kính phát thải trong lĩnh vực nông nghiệp là 52,32 triệu tấn các bon,
chiếm 51% tổng lượng khí nhà kính phát thải của cả nước. ðến năm 2000,
qua kết quả kiểm kê, lượng phát thải khí nhà kính ngành nơng nghiệp là 65,1
triệu tấn các bon chiếm 45,4% tổng lượng phát thải khí nhà kính tồn 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%). Lĩnh vực
chăn nuôi phát thải chiếm 18,7%. Phát thải do diện tích đất nơng nghiệp khác
chiếm 15,4%, cịn lại là do đốt phế thải. ðiều đó cho thấy trong nơng nghiệp
thì trồng lúa nước là nguồn phát thải chủ yếu [3].
2.1.3. Các nguồn phát thải khí CH4
Trong tự nhiên, người ta đã xác định có rất nhiều nguồn phát thải khí
CH4 khác nhau. Lượng phát thải khí CH4 từ các nguồn khác nhau khơng giống
nhau. Ước tính lượng phát thải CH4 ñược thể hiện ở bảng 2.2.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

5


Bảng 2.2: Ước tính lượng thải khí metan từ các nguồn khác nhau
(triệu tấn/năm)
Nguồn tự nhiên
- ðầm lầy

115

100 – 200

- Mối

20

10 – 50

- ðại dương

10

5 – 20

- Nước ngọt

5

1 -25

- Hydrat CH4

5

0 -5

100

70 – 120

- Trồng lúa

60

20- 150

- Lên men

80

65 -100

- Chất thải gia súc

25

20 – 30

- Xử lý rác thải

25

?

- Chôn lấp chất thải

30

20 – 70

- ðốt tàn dư sinh vật

40

20 – 80

Nguồn gốc từ con người
- Khai thác than, cơng
nghiệp khí đốt và dầu mỏ

Nguồn: Watson và cộng sự, 1990[64].

2.1.4. Ruộng lúa là một nguồn phát thải khí metan
Lúa là một trong những loại ngũ cốc chính để ni sống con người, mỗi
năm được sản xuất khoảng 519 triệu tấn và chiếm ¼ tổng lượng ngũ cốc trên
tồn thế giới (IRRI, 1991) [28]. Không giống như các loại cây ngũ cốc khác,
lúa thích hợp với hệ sinh thái ẩm, ngập nước, ấm và nó đã được trồng hàng
nghìn năm qua ở khu vực gió mùa của châu Á. Ngày nay, trên 90% lúa là ở

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

6


vùng ðơng Nam Á và gạo được sử dụng cho 2/3 số dân sống ở đây và gạo
cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong những thế kỷ tiếp theo.
Kể từ khi nồng độ khí CH4 trong khí quyển tăng nhanh trong thập kỷ

80 của thế kỷ trước thì người ta cho rằng canh tác lúa nước là nguồn phát thải
khí CH4 quan trọng nhất. ðiều nghi ngờ này dựa trên thực tế là diện tích đất
canh tác được mở rộng từ 84 lên 145 triệu ha (FAO, 1954 – 1988) [15] từ
năm 1936 đến năm 1986, vì vậy, rất có thể lượng phát thải khí CH4 tỉ lệ với
diện tích đất lúa tăng lên.
Những phân tích định lượng đầu tiên các nguồn phát thải khí CH4 vào
khí quyển do Ehhalt và Schmidt (1978) [14] tiến hành ñã thừa nhận rằng
ruộng lúa là nguồn phát thải khí CH4 lớn nhất. Họ ước tính mỗi năm trồng lúa
sẽ phát thải vào khí quyển 280 triệu tấn CH4 trong tổng số lượng phát thải
toàn thế giới từ tất cả các nguồn là 570 – 850 triệu tấn/năm. Lượng CH4 phát
thải từ ruộng lúa chủ yếu dựa trên các thí nghiệm tại Nhật Bản (Koyam, 1963)
[34]. Tuy nhiên Ehhalt và Schmidt (1978) chỉ ra rằng nồng độ này được xác
định trong phịng thí nghiệm chứ không phải trên ruộng lúa thực tế.
Cicerone và Shetter (1981) [9] thuộc Viện Khoa học California là
những người ñầu tiên nghiên cứu về phát thải khí CH4 trên ruộng lúa sử dụng
phương pháp buồng kín. Và họ đã xác định được ở ruộng lúa có sự phát thải
từ 0,04 ñến 0,3 g/m2/ngày. Họ cũng thấy rằng CH4 phát thải chủ yếu qua cây
lúa. Phát thải qua khuếch tán hay bọt bong bóng là khơng đáng kể.
2.1.5. Các con đường hình thành khí CH4 trên ruộng lúa
Khí CH4 phát thải từ ruộng lúa vào khí quyển theo ba con ñường chính
là: từ bọt khí CH4 dưới ñất, khuếch tán và phát thải từ cây lúa thơng qua khí
khổng của cây (Schut et al., 1989; Delwiche and Cicerone, 1993) [54].
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
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

7


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

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

Hình 2.1: Sơ đồ vận chuyển khí CH4 trên ruộng lúa theo 3 con ñường
Theo Schutz và cộng sự, 1989 [54]
2.2. Quá trình hình thành khí metan CH4
2.2.1. Sự phân giải chất hữu cơ và hình thành CH4
Khí CH4 là một hydrocacbon có thành phần là các bon và hydro, trong
đó các bon là nguyên tố cơ bản của tất cả vật thể hữu cơ và chu trình sinh học
của nguyên tố này thuộc về những quá trình cơ bản của sự sống. Trong q
trình biến đổi chất hữu cơ, tuỳ theo điều kiện mơi trường mà sản phẩm cuối
cùng có thể là CO2, H2O, các axit hữu cơ, H2, và CH4. ðây là q tình biến
8

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


ñổi sinh hóa học phức tạp, có sự tham gia của các vi sinh vật ñã ñược nhiều
tác giả ñề cập (Muller G., 1964) [43], Alexander M. (1977) [6], Pagel H.
(1966)[48].
Nhìn chung đây là q trình phân huỷ sinh hóa của hợp chất cao phân
tử trong đất, có sự xúc tác của enzim để chuyển thành những hợp chất hồ tan
trong nước hoặc thốt ra ngồi như khí CH4, CO2, H2…Tuỳ theo nguồn gốc
chất hữu cơ ban đầu, ví dụ xenlulo, lignin hoặc chất đạm…mà q trình biến
đổi và sản phẩm cuối cùng rất khác nhau.
Ở điều kiện hảo khí thì CO2 và H2O được hình thành. Ở điều kiện yếm
khí thì các axit hữu cơ, khí CH4 và H2 được hình thành. ðây là q tình biến
đổi sinh hố phức tạp, có sự tham gia của các vi khuẩn phân giải xenlulo
thuộc bộ Pseudomnadales, họ Spirillaceac, giống Vibrio, Callvibrio và
Cellfalcicula…Bên cạnh đó cịn có sự tham gia của các lồi nấm thuộc lớp
Ascomycetes mà Myxotrichum Chartarum là một đại diện điển hình thuộc

chủng Gymnoascales, họ Chytridiaceac.
2.2.2. Sự phân giải lignin và các hợp chất tương tự
Trong xác thực có chứa nhiều hợp chất hữu cơ có mạch vịng, khơng
chứa N. Theo Muller G. (1964) [43], thì đơn vị hố học cơ bản của ligin là
các gốc sau:

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

9


Gốc Guiacyl

Gốc Piperonyl

Gốc Syringyl

Các mạch nhánh:

Lignin là hợp chất khó phân giải. Ở điều kiện hảo khí, lignin bị nấm
Basidiomycetes và Ascomycetes phân giải. Vi khuẩn hầu như khơng 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 cacboxyl, nhóm
methoxyl, nhóm OH. Sau đó các liên kết đơi và mạch vịng bị phá vỡ. Các
bước tiếp theo của quá trình phân giải tương tự như hydratcacbon.
2.2.3. Sự phân giải hợp chất hữu cơ chứa N
Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chưa N có sự tham gia của vi
khuẩn, nấm và hàng loạt enzim. Sau quá trình khử amin thì NH3 và axit béo
được giải phóng. Sau đó, tương tự như trường hợp của hydrocacbon, ở điều
kiện hảo khí sẽ khống hố thành CO2, NO2, SO42-, H2O. Ở điều kiện yếm khí

thì sẽ phân giải thành CH4, CO2, H2 H2S, NH3, R – COOH, RNH2, RSH…
Sự phân huỷ chất hữu cơ và chuyển hố năng lượng ở điều kiện
yếm khí được Nêu, H. U. (1985) [44] mơ tả một cách chi tiết hơn theo sơ
đồ hình 2.2

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

10


8H2

2CH4
ATP

CO2

CH4

2CO2
2ATP

2CH3COOH
2CO2
2ATP

CO2
ATP

2FdH2

2Fd

2H2

O
H3C

C

COOH

2ATP

2NADH2

2Fd

2NAD

2FdH2

2H2

Chất
hữuccơ
Cht
hu

Hỡnh 2.2: Quỏ trỡnh phõn hu cht hu c v chuyển hóa năng lượng ở
điều kiện yếm khí. Theo Neue, H. U. 1985[44]

Như vậy, từ các chất hữu cơ cơ bản trong tự nhiên, qua quá trình phân
huỷ và sản phẩm cuối cùng là CO2, CH4, H2O, axit hữu cơ và H2. Tuỳ điều
kiện mơi trường, yếm khí hay hảo hí mà sản phẩm cuối cùng là CO2 hay CH4.
Nguồn gốc hình thành CH4 khơng những qua q trình phân huỷ xác
thực vật mà cịn có nguồn gốc phân huỷ ñộng vật. Quá trình phân huỷ xác
ñộng vật ñể hình thành CH4 tương tự như phân huỷ chất ñạm ñược trình bày ở
trên. Như vậy, quá trình hình thành CH4 qua sự phân giải chất hữu cơ không
phải là một q trình hố học thuần t là một q trình sinh hố tổng hợp, có
sự tham gia của vi sinh vật.
2.2.4. Vi sinh vật và sự hình thành CH4

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

11


Khí CH4 tạo ra từ đất có liên quan chặt chẽ tới hoạt động của các vi
sinh vật. Khí này ñược tạo ra do các phản ứng kỵ khí, với sự tham gia của các
vi khuẩn chủ yếu sau:
Methenobacterium, Methanbrevibacter, Methanococcus,Methanomicrobium,
Methanospirillum, Methanogenium,

Methanoplanus,

Methanotrix, Methanolobus, Methanococoides,

Methanotermus,

Methanosarcina.

Việc tạo ra khí CH4, sau đó là nguồn năng lượng cho các vi sinh vật
nêu trên hoạt ñộng và chúng ñược gọi là các vi khuẩn sinh metan. Trong đó,
chỉ có ba nhóm hợp chất có thể ñược sử dụng bởi các vi khuẩn sinh CH4 là:
H2 + CO2; formiat, axetat, methanol và metylamid. Khi các chất này ñược sử
dụng bởi các vi khuẩn tạo ra metan, chúng không thể phân giải những hợp
chất hữu cơ cao phân tử trong ñất và tàn dư thực vật. Vì vậy quần thể vi
khuẩn sinh metan được hình thành từ quần thể vi sinh vật tạo thức ăn cho
chúng. Quần thể vi sinh vật này là mối quan hệ cộng sinh ñặc trưng
(Эаварзин Г. А. 1984) [74].
Các chất hữu cơ ban đầu có cấu tạo phức tạp. Trong q trình phân giải
có tác động của các q trình hố lý và sinh học, trong đó có sự tham gia của
hàng loại vi khuẩn như nhóm phân giải xenluloza…phân huỷ các chất này
thành những chất hữu cơ ñơn giản như ñường, protein, xelluloza hay
hemixenluloza…và dưới tác ñộng của các nhóm vi khuẩn sinh metan sẽ hình
thành CH4. Quá trình này cịn gọi là q trình lên men CH4. ðể chuyển ñổi
một chất hữu cơ ñơn giải cần 2 hay nhiều nhóm vi khuẩn metan. Do đó, q
trình hình thành CH4 thực chất là q trình sinh học hố, ở những giai đoạn
nhất định, cũng có thể gọi là q trình sinh học hình thành CH4 (Alexander
M. 1977)[6].
Các vi khuẩn kị khí tạo ra CH4 khơng thể sử dụng hydrocacbon và các
amino axit có sẵn. Glucoza và các loại đường khơng ñược lên men bởi các
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

12


biện pháp nuôi cấy vi khuẩn thuần túy, các polysacarit cũng có thể kháng cự
được sự tấn cơng của các vi khuẩn là những axit như axit focmic, axit axetic,
axit propyonic, n-butyric và n-valeric và các loại rượu như methanol, ethanol,
n-isopropanol, n-pentanol…

Tuy nhiên, trong tự nhiên sự xáo trộn của hệ ñộng thực vật diễn ra rất
phổ biến, nhiều hợp chất tham gia vào sự lên men tự nhiên ñể hình thành CH4.
Tuy nhiên, sự chuyển đổi của đường, protein, xenluloza và hemixenluloza
thành CH4 cần hai hay nhiều hơn các nhóm vi sinh vật khác nhau.
Cũng theo Alexander M. (1977) [6] thì cách lên men này của axetat là
sự khử cacboxyl. Không chỉ gốc metyl của axetat chuyển thành CH4 mà còn
cả những phân tử H2 kết hợp với C tạo thành CH4 có biểu diễn bằng một chuỗi
các phản ứng hoá học như sau:
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
4HCOOH → CH4 + 3H2O + 2H2O
CH3COOH → CH4 + CO2
2CH3CH2OH → 3H2O + CO2
Sản phẩm chính của q trình này là phân tử ñơn giản như CO2, CH4
Cơ chế phổ biến của sự tạo thành CH4 làm giảm CO2. ðó là chất hữu
cơ đơn giản sau lên men và CO2 bị sử dụng như một tác nhân electron. Nếu
CO2 khơng được cung cấp cho q trình lên men vi sinh vật, nó được cung
cấp trong q trình phân huỷ xác động vật và q trình tiếp theo bị giảm ñi.
Cũng có ý kiến cho rằng một trong hai quá tình sau: Giảm CO2 hoặc
chuyển các gốc metyl thành CH4 trong ñất. Tuy nhiên, trong một nghiên
cứu về ñất ngập nước, có một lượng lớn CH4 được tạo thành từ gốc metyl
của axit exetic, như phản ứng CH3COOH → CH4 + CO2, nhưng cũng có
một lượng khác tạo thành do giảm thải CO2 như phản ứng: 4H2 + CO2
→ 4R + CH4 + 2H2O.
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

13


Các chất trung gian của quá trình chuyển từ CO2 thành CH4 chưa
được tìm ra. Chỉ biết rằng, các enzim từ tế bào của các vi khuẩn metan yếm

khí có thể xúc tác cho quá tình chuyển HCOOH, HCHO và CH3OH thành
CH4. ðây là một q trình chuyển hố phức tạp với các chất hữu cơ khác
theo trình tự sau:
CO2 + RH → RCOOH → RCHO → RCH2OH → RCH3 → CH4 → RH
Tóm lại: sự hình thành CH4 liên quan mật thiết với hoạt ñộng sống của
vi sinh vật kị khí.
2.2.5. Sự oxi hố CH4
Cũng như các chất hữu cơ khác, CH4 được hình thành và cũng bị biến
đổi dưới hiều hình thức, trong đó có q trình oxi hố. Sự oxy hố một phần
khí CH4 trong tự nhiên ñể chuyển thành CO2 do nhóm vi sinh vật ñặc biệt,
nhóm vi khuẩn hảo khí methanotrophs, sử dụng metan như là nguồn dinh
dưỡng và lấy năng lượng. Chúng sử dụng oxy trong khơng khí để oxy hố
metan dưới tác dụng của enzym, vì vậy người ta thường thấy chúng tập trung
ở tầng mặt vì ở đây chúng có đủ oxy khơng khí và khí CH4 cung cấp.
Trong đất lúa ngập nước, phân tử oxy bị sử dụng nhanh và giảm nồng
ñộ sau khi ñất bị ngập nước. Oxy chỉ tồn tại ở phần lớp rất mỏng bên trên của
tầng ñất lúa hoặc ở xung quanh vùng rễ trong suốt thời kỳ ngập nước. Bởi
vậy, trong q trình oxi hố CH4, O2 được sử dụng và thải ra CO2. Tại q
trình này, mỗi phân tử CH4 mất đi cần có 2 phân tử O2 theo phản ứng diễn ra
như sau:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Theo Alexander M. (1977) [6], có hai quan điểm khi xem xét vai trị
của q trình oxi hố CH4. Một là lượng CH4 nhất định bị tiêu thụ bởi các vi
khuẩn thuộc nhóm Methanotrophs gồm: Methylomonas, Methylococcus,
Methylosimus, Methylobacter và Methylocystis. Ngoài ra, một số loại vi
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

14

khuẩn oxy hố CH4 khác cũng nhận biết. Quan điểm thứ hai là các vi sinh vật
dị dưỡng khác có thể oxi hố CH4. Những vi sinh vật này đa số là họ
Mycobacterium, sử dụng CH4 như các hydrocacbon làm nguồn các bon. Q
tình oxy hố CH4 bởi vi khuẩn cũng là một q tình phức tạp và có thể hình
dung theo trình tự sau:
CH4 >CH3OH>HCHO>HCOOH>CO2
Như vậy, CH4 hình thành sẽ biến đổi tuỳ theo điều kiện mơi trường,
trong đó vai trị của vi sinh vật là quan trọng. Nó khơng những tham gia vào
sự hình thành mà cịn tham gia vào sự chuyển hoá của CH4.
2.2.6. Thế oxy hoá/khử (Eh) và sự hình thành CH4
Bên cạnh sự phụ thuộc của vi sinh vật, sự tạo thành và chuyển hoá của
CH4 gắn liền với hàng loạt q tình oxy hố khử sinh học. Khi khử C thành
CH4 thì có phản ứng oxy hố khử tham gia, nó cần có chất khử, chất này ñã
ñược cung cấp bởi sắt hoặc mangan. Oxy hố Fe2+ thành Fe3+ và Mn2+ thành
Mn4+. ðây có thể là q tình chính để tạo ra khí CH4 trong đất. Những chất
dễ tiêu này có mặt trong q tình oxi hố tạo cho đất điều kiện lý tưởng ñể
các vi sinh vật metan hoá hoạt ñộng. Lưu huỳnh đóng một vai trị trong q
trình sinh ra khí metan ở một số nhóm đất giàu lưu huỳnh và là nhân tố quan
trọng nhất trong loại đất Thionic Fluvisols.
Ví dụ sau, các chất ñược tạo ra do phản ứng oxy hố khử được đề xuất
bởi Kaurichev và Orlov (Kaypичeв, Opлoв, 1982) [75] phản ứng chất khử
Fe2+ thành chất oxy hoá và tạo thành metan và hematit (1) và gơtit (2).
C4+ + 2FeO + H2O + 2H+ + 2e- → CH4 + Fe2O3

(1)

C4+ + 2FeO + H2O + 3H+ + 3e- → CH4 + FeOOH

(2)

ðể thấy rõ hơn sự hình thành của CH4 trong mối liên quan ñến Eh, pH
và so sánh với các hệ oxy hố khử khác nhau được thể hiện ở hình 2.3.
Trường ðại học Nơng Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

15


Theo Yu – tian – ren (1985) [70], CH4 ñược hình thành khi thế ơxy hố
khử từ -200 mV đến – 300 mV. Thế ơxy hố khử phụ thuộc vào thời gian
ngập nước, theo Ponnamperuma F. N. (1985) [52] thì các giá trị trên có thể
gặp sau khi đất ngập nước khoảng sau 30 ngày.

Hình 2.3: Giảm đồ ổn định của các hệ oxy hóa-khử
phụ thuộc vào Eh và pH
Sự xuất hiện của electron làm tăng quá trình khử. Khi vùi rơm thì Eh
giảm mạnh. Bởi vì rơm có tỉ lệ C/N cao, cấu trúc khó phân giải, để phân giải
ñược chất hữu cơ ngày vi sinh vật cần nhiều ơxy, do đó nhanh chóng tạo ra
mơi trường yếm khí (khử).

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

16


Ngược lại, khi bón phân vơ cơ (đạm urê) dù ở dạng nào cũng chuyển
thành NO3- mang tính ơxy hóa nên hạn chế quá trình khử. Bởi vì NO3- là chất
nhận electron để khử, q tình trên có giải phóng ra NO2 là chất khử, nhưng
chỉ xảy ra trong giai đoạn ngắn sau đó bị khử tiếp và chuyển hố thành N2
theo phản ứng:
NO3- + 6H+ + 5e- = 1/2N2+ 3H2O

Những kết quả trên cho thấy, khi ñất trồng lúa ngập nước, ngồi yếu tố
về thời gian ngập nước, thì chế độ bón phân cũng ảnh hưởng đến động thái
của Eh. Bón phân vơ cơ như đạm hạn chế q trình giảm Eh. Trong khi đó,
bón phân hữu cơ làm tăng qúa trình giảm Eh ở những trường hợp này thường
đạt ngưỡng của sự hình thành CH4. ðồng thời bón phân hữu cơ chính là sự
cung cấp nguồn vật chất để hình thành CH4. Từ những dẫn liệu trên có thể
thấy sự hình thành CH4 phụ thuộc vào thế ơxy hoá khử. ðại lượng này lại phụ
thuộc rất lớn vào chế độ nước và phân bón.
2.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới phát thải khí metan CH4
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới q trình phát thải như: chế độ nước,
phân bón, tính chất đất, q 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 ñến Eh cũng chính là yếu tố ảnh
hưởng ñến sự phát thải của CH4. Vấn ñề này trong những năm gần ñây cũng
ñược nhiều tác giả nghiên cứu.
2.3.1. Ảnh hưởng của chế độ nước và phân bón đến sự phát thải CH4
Nước trên mặt ruộng có tác dụng cách ly nguồn cung cấp oxy từ khơng
khí vào đất nên ngăn cho q 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 (Ferry, 1992) [16]. Vì
vậy, chế ñộ nước trên ruộng lúa cũng là nguyên nhân dẫn tới sự phát thải khí
CH4. Sự phát thải CH4 phụ thuộc vào một số yếu tố như quản lý, ñiều tiết chế
Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ……………………….

17