Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của chế độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa-khử, độ pH và phát thải mêtan ở đất trồng lúa thuộc xã Kim Chung, huyện Hoài Đức - Hà Nội

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

96
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn đã được đặt ra với mục tiêu sau đây: Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái của Eh; xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái pH; xác định ảnh hưởng của chế độ nước và vai trò của cây lúa đến động thái phát thải CH4; đề xuất biện pháp hạn chế phát thải CH4 khi trồng lúa nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ảnh hưởng của chế độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa-khử, độ pH và phát thải mêtan ở đất trồng lúa thuộc xã Kim Chung, huyện Hoài Đức - Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN VĂN ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ NGẬP NƯỚC ĐẾN ĐỘNG THÁI THẾ ÔXI HOÁ - KHỬ, ĐỘ pH VÀ PHÁT THẢI MÊTAN Ở ĐẤT TRỒNG LÚA THUỘC XÃ KIM CHUNG - HUYỆN HOÀI ĐỨC - HÀ NỘI Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. VĂN HUY HẢI Hà Nội – 2010
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và dưới sự chỉ bảo tận tình của TS. Văn Huy Hải, luận văn của tôi đã hoàn thành. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Văn Huy Hải, khoa Môi trường - trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Môi trường - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong phòng Sau đại học –Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Việt Anh, chủ nhiệm đề tài “ Nghiên cứu chế độ tưới thích hợp cho lúa nhằm giảm thiểu phát thải khí nhà kính trong điều kiện không làm giảm năng suất lúa” đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện thí nghiệm trong phòng và ngoài đồng ruộng. Cuối cùng tôi xin gửi đến gia đình, bạn bè những người đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập, nghiên cứu cũng như trong thời gian thực hiện đề tài lời cảm ơn chân thành nhất. Hà Nội, ngày 10/10/2010 Học viên Nguyễn Văn Định
MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….……1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................ 3 1.1. Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước .............................................. 3 1.2. Các tính chất điện hóa của đất lúa nước......................................................... 5 1.2.1. Động thái của thế ôxi hóa - khử ở đất ngập nước ................................... 5 1.2.2. Động thái của pH ở đất ngập nước ........................................................ 10 1.3. Sự hình thành và phát thải khí mêtan ở đất trồng lúa nước. ......................... 13 1.3.1 Sự phân giải các chất hữu cơ và hình thành CH4. ................................... 13 1.3.2. Vai trò của sinh vật ............................................................................... 17 1.3.3. Sự ôxi hóa mêtan ................................................................................. 19 1.3.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự phát thải CH4. .................................... 19 1.4. Phát thải khí nhà kính gây ra biến đổi khí hậu ............................................. 25 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 29 2.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................. 29 2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 29 2.3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 29 2.3.1. Phương pháp thí nghiệm trong phòng ................................................... 29 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm đồng ruộng. ................................. 30 2.4. Phương pháp đo đạc, lấy mẫu CH4. ............................................................. 36 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................... 39 3.1. Động thái của Eh ......................................................................................... 39 3.1.1. Động thái của của Eh ở mô hình thí nghiệm trong phòng...................... 39 3.1.2. Động thái của Eh ở thí nghiệm đồng ruộng ........................................... 44 3.2. Động thái của pH ........................................................................................ 45 3.2.1.Động thái của pH thí nghiệm mô hình trong phòng................................ 45 3.2.2.Động thái của pH thí nghiệm ngoài đồng ruộng........................................ 48 3.3. Trạng thái tồn tại của Fe, Mn liên quan đến Eh và pH…………….......……50 3.4. Ảnh hưởng của chế độ nước đến phát thải CH4 ở vụ xuân 2010 .................. 52
3.5. Ảnh hưởng của chế độ nước đến năng suất lúa…………………………..…63 3.6. Chế độ nước hợp lý và tiềm năng xây dựng dự án CDM (Clean Development Mechanism) ....................................................................................................... 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………….…….66 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 68
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Những phản ứng ôxi hóa-khử quan trọng trong đất ................................... 7 Bảng 2.1. Các chỉ tiêu khu đất thí nghiệm.............................................................. 31 Bảng 2.2 Các chỉ tiêu của nước khi thí nghiệm ...................................................... 34 Bảng 3.1. Động thái Eh của các công thức thí nghiệm mô hình trong phòng.......... 40 Bảng 3.2. Động thái Eh của các công thức thí nghiệm mô hình đồng ruộng........... 44 Bảng 3.3 Động thái pH của các công thức thí nghiệm mô hình trong phòng. ........ 46 Bảng 3.4. Động thái của pH ở thí nghiệm đồng ruộng.……………………………48 Bảng 3.5. Cường độ phát thải CH4 theo các phương án vụ xuân 2010 ................... 54 Bảng 3.6. Cường độ phát thải CH4 vụ xuân năm 2010 theo đối chứng ................... 55 Bảng 3.7.Lượng phát thải CH4 toàn vụ xuân 2010 theo ĐC ................................... 55 Bảng 3.8.Cường độ CH4 phát thải trường hợp đối chứng và PA1 vụ xuân 2010 .... 58 Bảng 3.9. Lượng phát thải CH4 toàn vụ xuân 2010 theo ĐC và PA1...................... 58 Bảng 3.10.Cường độ CH4 phát thải trường hợp đối chứng và PA2 vụ xuân 2010 .. 60 Bảng 3.11. Lượng phát thải CH4 toàn vụ xuân 2010 theo PA2............................... 60 Bảng 3.12. Các chỉ tiêu sinh lý, sinh thái và năng suất lúa vụ xuân 2010 ............... 63
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Động thái của Eh theo Ponnamperuma,F.N(1985) ................................. .9 Hình 1.2 Động thái của Eh và các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C.............9 Hình 1.3 Động thái pH ở một số loại đất khi ngập nước theo Ponnamperuma,F.N(1985) ................................................................................... .11 Hình 1.4 Sơ đồ phân hủy xenlulo........................................................................... 14 Hình 1.5 Sơ đồ phân giải các hợp chất hữu cơ chứa N .......................................... 15 Hình 1.6 Quá trình phân hủy chất hữu cơ và chuyển hóa năng lượng ............................16 Hình 1.7. Đồ thị phát thải của CH4 và CO2 ở điều kiện yếm khí .....................................17 Hình 1.8. Động thái của nhiệt độ, nước ngập (a và d), sự phát thải CH4 (b và d), Eh và pH (c và f) ở điều kiện đất ngập nước liên tục và không kiên tục ...................... 22 Hình 1.9. Động thái của Eh ở đất trồng lúa và không trồng lúa theo Tanaka,A ...... 23 Hình 1.10 Quá trình trao đổi ôxy của cây lúa ..................................................................24 Hình 3.1. Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của các công thức thí nghiệm trong phòng. .40 Hình 3.2. Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của CT6 tại thí nghiệm trong phòng. ...........42 Hình 3.3. Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của CT3 tại thí nghiệm trong phòng. ...........42 Hình 3.4. Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của CT4 tại thí nghiệm trong phòng. ...........43 Hình 3.5. Diễn biến thế ôxi hóa – khử (Eh) của các công thức thí nghiệm đồng ruộng. .45 Hình 3.6 Động thái pH ở thí nghiệm mô hình trong phòng. ...........................................46 Hình 3.7. Động thái pH ở thí nghiệm mô hình trong phòng theo công thức 2 ................47 Hình 3.8 Động thái pH ở thí nghiệm đồng ruộng. ..........................................................49 Hình 3.9 Giản đồ ổn định của Fe ....................................................................................51 Hình 3.10 Giản đồ ổn định của Mn.................................................................................52 Hình 3.11 Diễn biến cường độ CH4 phát thải theo các công thức vụ xuân 2010 .............54 Hình 3.12 Mô phỏng cường độ của CH4 phát thải vụ xuân 2010 theo ĐC ......................56 Hình 3.13. Quá trình mô phỏng phát thải CH4.................................................................57 Hình 3.14. Mô phỏng cường độ của CH4 phát thải vụ xuân 2010 theo PA1....................59 Hình 3.15. Mô phỏng cường độ CH4 phát thải vụ xuân 2010 theo ĐC và PA2 ...............61
CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐƠN VỊ BĐKH Biến đổi khí hậu ĐBSH Đồng bằng sông Hồng IPCC Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu IRRI Viện nghiên cứu lúa quốc tế KNK Khí nhà kính UNFCCC Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu KP Nghị định thư Kyoto Eh Thế ôxi hóa khử CT Công thức thí nghiệm ĐC Công thức đối chứng NTX Ngập nông thường xuyên NLP Nông lộ phơi PA1, PA2, PA3 Các phương án thí nghiệm ứng với chế độ nước khác nhau GĐST Giai đoạn sinh trưởng ppm Phần triệu thể tích(khối lượng, số hạt…) ppb Phần tỷ thể tích (khối lượng số hạt…) Gg CO2 Nghìn tấn cacbonic Tg CO2 Triệu tấn cacbonic Pg CO2 Tỷ tấn cacbonic
MỞ ĐẦU Trồng lúa nói chung và trồng lúa nước nói riêng là hệ sinh thái nhân tạo. Như I.Watanabe và P.A.Roger (1985) đã nhận định: đây là hệ sinh thái bất ổn định do môi trường bị phá hủy thường xuyên, những nghiên cứu về nước ngập đến động thái của một số nguyên tố hóa học ở môi trường đất còn ít được chú ý. Mặt khác, như nghị định thư Kyoto đã đề cập, sản xuất nông nghiệp đặc biệt là trồng lúa nước cũng có tham gia gây nên hiệu ứng nhà kính làm biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, vấn đề trồng lúa gây nên phát thải khí mêtan (CH4) cũng còn chưa được nghiên cứu rõ ràng, đặc biệt là ở điều kiện của Việt Nam. Eh, pH là những tính chất hóa học quan trọng và thường được nhắc tới khi nghiên cứu về môi trường đất, nhưng trong các tài liệu nghiên cứu, nhất là ở Việt Nam, thường chỉ đề cập ở một thời điểm nhất định. Trong khi đó các chỉ tiêu trên luôn biến động mạnh theo sự biến động của các yếu tố môi trường, đặc biệt là chế độ nước ngập. Để đánh giá được các thông số trên, cần nghiên cứu động thái của chúng theo thời gian và tác động của các yếu tố môi trường, kể cả tác động của các biện pháp bón phân trong sản xuất lúa. Đặc biệt cần nhấn mạnh rằng, Eh và pH là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá môi trường đất và nước. Có thể nói đây là hai chỉ tiêu quyết định đến sự tồn tại và chuyển hóa của hàng loạt các nguyên tố hóa học ở môi trường đất và nước. Nắm bắt được động thái của chúng giúp cho việc đánh giá nhiều nguyên tố hóa học đầy đủ và chính xác hơn, đặc biệt là những nguyên tố kim loại nặng như Fe và Mn. Giữa sự hình thành CH4 và Eh có mối liên hệ mật thiết. Bởi vì CH4 được hình thành ở điều kiện yếm khí, Eh thấp. Mối liên hệ này còn ít được nghiên cứu ở Việt Nam. Như trên đã đề cập, trồng lúa gây nên sự phát thải CH4, nhưng vai trò của cây lúa như thế nào trong quá trình phát thải CH4 còn là một câu hỏi khó giải đáp không phải ở Việt Nam mà còn ở bình diện quốc tế. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, đề tài nghiên cứu : “ Ảnh hưởng của chế độ ngập nước đến động thái thế ôxi hóa –khử, độ pH và phát thải mêtan ở đất trồng 1
lúa thuộc xã Kim Chung, huyện Hoài Đức- Hà Nội” đã được đặt ra với mục tiêu sau đây:  Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái của Eh.  Xác định ảnh hưởng của chế độ nước đến động thái pH.  Xác định ảnh hưởng của chế độ nước và vai trò của cây lúa đến động thái phát thải CH4.  Đề xuất biện pháp hạn chế phát thải CH4 khi trồng lúa nước. 2
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Một số vấn đề về sinh thái học ruộng lúa nước Ruộng lúa nước là hệ sinh thái nhân tạo thường xuyên bị xáo trộn bởi thói quen canh tác như nhổ cỏ, làm đất, tưới tiêu, bón phân, trồng cấy, các biện pháp bảo vệ thực vật….và các hiện tượng tự nhiên như mưa. Từ đó dẫn đến sự bất ổn định và những biến động trong một khoảng thời gian ngắn (chu kỳ mùa vụ). Cấu trúc của hệ sinh thái ruộng lúa lúa nước: Hệ sinh thái ruộng lúa nước gồm 5 tiểu hệ sinh thái chủ đạo sau: nước ngập, tầng đất bị ôxi hóa bề mặt, tầng đất bị làm ngàu bùn khử (kỵ khí), tầng đất cái (bị ôxi hóa trong điều kiện thoát nước tốt hoặc bị khử khi biểu nước cao), thân cây lúa và lá (bị ngâm trong nước) và hệ rễ cây. Sự biến đổi chất dinh dưỡng trong đất lúa ngập nước là chủ đề chính của các nghiên cứu thổ nhưỡng học về các loại đất này. Tầng nước ngập và bề mặt phân cách giữa đất và nước : Trong các cánh đồng được tưới tiêu, tầng nước ngập là môi trường oxicphotic. Sự chuyển tiếp giữa các tầng nước ngập và đất khử anoxic – aphotic được hình thành bởi tầng ôxi hóa đất – nước. Tầng nước ngập và tầng ôxi hóa hình thành bởi tầng ôxi hóa đất – nước. Tầng nước ngập và tầng ôxi hóa hình thành nên một hệ sinh thái liên tục ở đó xảy ra 4 cơ chế liên quan đến độ phì như sau:  Cố định nitơ sinh học.  Mất N do sự bay hơi NH3 – liên quan đến hoạt động quang hợp của thực vật và quá trình khử nitrat và nitrat hóa.  Bẫy bắt và quay vòng vật chất hữu cơ (C) do quang hợp và các loại muối khoáng được giải phóng từ đất và phân bón.  Sự lưu chuyển các chất dinh dưỡng từ đất đến nước nhờ thực vật phù du và sinh vật tiêu thụ sơ cấp. Cường độ những phản ứng này liên quan trực tiếp đến các đặc tính của tầng nước ngập và hoạt động của thực vật. Hóa học về tầng nước ngập: tính chất hóa học của nước đứng phụ thuộc cơ bản vào tính chất nước và đất. Tuy nhiên thành phần hóa học của nó biến đổi đáng kể trong suốt chu kỳ mùa vụ và ở các vị trí khác nhau liên quan đến : 3
 Sử dụng phân bón.  Những xáo trộn cơ học đất, gây ra sự phân tán các phần tử nhỏ trong nước.  Sự hòa tan do nước mưa và nước tưới.  Hấp phụ bề mặt đất.  Sự phát triển của cây lúa. Sự biến đổi hàng ngày xảy ra chủ yếu do hoạt động của sinh vật quang hợp và gây ra sự biến đổi lớn về sự hòa tan khí O2,CO2 và pH. Khi thực vật phát triển biến đổi hàng ngày trở nên kém rõ rệt hơn vì sự che bóng của tán cây. Chu trình dinh dưỡng: Carbon và nitơ: Thực vật quang hợp (sinh khối quang hợp) đồng hóa CO2 (CH4 sau khi bị ôxi hóa thành CO2) thoát ra từ đất và trở lại dưới dạng tế bào tảo và cỏ thủy sinh, bởi vậy cần ngăn việc mất chất hữu cơ dưới dạng CO2. Tương tự cũng cần ngăn chặn việc mất NH3 hòa tan trong đất ngập nước. Phốt pho: đa số phốt phát hòa tan sử dụng trong đất ngập nước được cố định trong pha rắn của đất. Rất ít tồn tại trong tầng ngập nước. Việc lưu chuyển phốt pho từ đất sang nước đứng gồm 3 cơ chế:  Sự xáo trộn cơ học trong đất do biện pháp chăm sóc.  Sự phân tán từ đất.  Hoạt động của thực vật phù du và động vật. Đất khử: hệ đất khử hầu hết mới chỉ được nghiên cứu như một hệ tách biệt. Vùng nước ngập phía trên và sự trao đổi vật chất với vùng nước ngập thường bị bỏ quên trong các nghiên cứu trên. Vì vậy trong nghiên cứu này tương tác giữa hai hệ (đất khử và nước ngập) được xem xét kỹ. Hệ đất khử chúng ta đặc biệt chú trọng đến dòng vào chất hữu cơ đó là :  Rễ và phần rơm rạ sót lại sau thu hoạch.  Vật chất mà rễ lúa tiết ra trong suốt quá trình sống.  Các loại cỏ (thực vật nổi bậc cao).  Tảo (thực vật nổi bậc thấp).  Xác vi sinh vật đất.  Bón phân chuồng. 4
Đất giàu chất hữu cơ như trên trong điều kiện ngập nước sẽ làm giảm Eh, tạo điều kiện thuận lợi để hình thành CH4. 1.2. Các tính chất điện hóa của đất lúa nước 1.2.1. Động thái của thế ôxi hóa - khử ở đất ngập nước a. Cơ sở lý thuyết về thế ôxi hóa – khử Theo Trần Ngọc Lan (2008)[4], trong tự nhiên, quá trình các axit hòa tan các khoáng vật, các ion kim loại hòa tan trong nước thủy phân hình thành các hidroxit và nhiều quá trình khác là các quá trình axit – bazơ liên quan đến sự chuyển dịch ion H+(hoặc 0H-). Trong đất luôn tồn tại chất ôxi hóa và chất khử, nên quá trình ôxi hóa- khử xảy ra phổ biến, chất ôxi hóa là những chất có khả năng nhận electron, chất khử là những chất có khả năng cho electron. Mỗi chất ôxi hóa sau khi nhận electron trở thành chất khử gọi là chất khử liên hợp với nó. Mỗi cặp ôxi hóa - khử liên hợp có thể biểu diễn bằng hệ thức: - Ox: là chất ôxi hóa Ox + ne = Kh - Kh: chất khử liên hợp với chất ôxi hóa - ne: số electron mà Ox nhận để thành Kh Chất ôxi hóa Chất khử Fe3+ + 1e Fe2+ Mn4+ + 2e Mn2+ Mn3+ + 1e Mn2+ Cl2 + 2e 2Cl- Như vậy phản ứng ôxi hóa khử là phản ứng giữa chất ôxi hóa và khử có sự trao đổi electron. Hệ thống ôxi hóa – khử được ký hiệu là Redox. Trong đất những chất ôxi hóa là O2; NO3-; Fe3+; Mn4+; Cu2+ và một số sinh vật hiếu khí. Chất khử là H2, Fe2+, Cu+ và vi sinh vật kị khí. Quá trình ôxi hóa - khử trong đất đều có thực vật và vi sinh vật tham gia cho nên đây là một quá trình sinh học. Trong điều kiện ôxi 5
hóa hay khử, chất hữu cơ đều bị phân giải, tuy nhiên, cường độ, sản phẩm phân giải có khác nhau. Thành phần chất hữu cơ Chất ôxi hóa Chất khử C CO2 CH4;CO N NO2 NO-3;N2;NH3 S SO42- H2S P PO43- PH3 Fe Fe3+ Fe2+ Mn Mn4+ Mn3+;Mn2+ Cu Cu2+ Cu+ Để đặc trưng cho cường độ ôxi hóa - khử của dung dịch đất thường xác định bằng điện thế ôxi hóa – khử (kí hiệu Eh): Eh = Eo + 59 lg([OX]/ [Kh]) (tính bằng mV) 6
Bảng 1.1 Những phản ứng ôxi hóa-khử quan trọng trong đất. Nguồn : Pagel từ Ponnamperuma F.N. từ Rusel, E.W.(1973)[31] Eh (mV tại 25oC) Hệ ôxi hóa khử Tại pH = 5 Tại pH = 7 1.O2 + 4H+ + 4e = H2O Eh = 1,23 + 0,0148 log P(O2) – 0,059 pH 930 820 2.NO3- + 2H+ + 2e = NO2- + H2O Eh = 0,83 – 0,0295 log NO2- / NO3- – 0,059 pH 530 420 3. MnO2 + 4H+ + 2e = Mn2+ + 2H2O Eh = 1,23 – 0,0295 log Mn2+ – 0,059 pH 640 410 4.Fe(OH)3 +3H+ + e = Fe2+ + 3H2O Eh = 1,06 – 0,059 log Fe2+ – 0,177 pH 170 -180 5. SO42- + 10H+ + 8e = H2S + 4H2O Eh = 0,30 – 0,0074 log H2S/ SO42- – 0,074 pH -70 -220 6.CO2 + 8H+ + 8e = CH4 + 2H2O Eh = 0,17 – 0,095 log P(CH4)/P(CO2) – 0,059 pH -120 -240 7.2H+ + 2e = H2 Eh = 0,00- 0,059pH -295 -413 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ôxi hóa - khử: Trong dung dịch đất có chứa nhiều hệ thống ôxi hóa – khử (Redox) với nồng độ khác nhau. Nồng độ chất ôxi hóa và khử của một hệ thống nào cao nhất sẽ quyết định điện thế ôxi hóa – khử (Eh) của môi trường. - Nồng độ ôxy trong không khí đất, ôxy hoà tan trong dung dịch đất và các bài tiết của vi sinh vật quyết định Eh của dung dịch đất. - Độ ẩm thay đổi làm thay đổi Eh của đất. Khi đất ẩm nhiều quá trình khử mạnh, do đó Eh giảm. Ngược lại đất khô, quá trình ôxi hoá mạnh, Eh tăng. - Phản ứng của dung dịch đất cũng ảnh hưởng đến Eh: Clark đã đưa ra chỉ số rH2: chỉ số phản ánh sự tương quan giữa Eh và pH. rH2 = Eh/30 + 2 pH rH2 = 28 – 34: đất thoáng 7
rH2 =22 – 25: là đất yếm khí rH2 0,15V ~ 0,3(0,4)V giàu ôxy tự do và các chất ôxi hóa khác; Môi trường khử không có H2S: Eh < 0 (đôi khi > 0) rất nghèo ôxy tự do nhưng giàu tàn tích hữu cơ, khí mêtan và các thành phần có hóa trị thấp khác như FeII, MnII; Môi trường khử có H2S: Eh < 0(đôi khi > 0), không có ôxy tự do, giàu H2S và có sunfat. Để thuận tiện trong nghiên cứu môi trường có thể phân chia chi tiết hơn như sau(theo Patrick và Mahapatra (1968) [18]): Loại đất Thế ôxi hóa-khử (mV) Ôxi hóa (thoát nước tốt) +700 → +500 Khử trung bình +400 → +200 Khử +100 → -100 Khử mạnh -100 → -300 8
Thời gian ngập nước (ngày) Hình 1.1. Động thái của Eh theo Ponnamperuma, F.N(1985)[19] Eh phụ thuộc vào thời gian ngập nước và tính chất của đất. Hình 1.1.b trên cho thấy cùng thời gian ngập nước như nhau nhưng nếu đất giàu chất hữu cơ (mẫu đất số 9) thì sau khi ngập nước, Eh giảm nhanh và thấp nhất. Trường hợp này người ta còn gọi là hiện tượng “ rơi” ( tiếng anh – Fall) của Eh. Hiện tượng này cũng được Văn Huy Hải (1986) [28] nghiên cứu và giải thích. Số ngày ngập nước Hình 1.2. Động thái của Eh và các phương án thí nghiệm tại nhiệt độ 200C Nguồn: Văn Huy Hải (1986) [28] 9
Đồ thị tại hình 1.2 cho thấy phương án bón phân chuồng và bón rơm có thế ôxi hóa khử giảm mạnh nhất. Quá trình trên được tác giả giải thích theo phản ứng: (CH2O)x + O2 = xCO2 + xH2O 2H2O = O2 + 4H+ + 4e Sự xuất hiện của electron làm tăng quá trình khử. Khi bón rơm thì Eh giảm mạnh. Bởi vì rơm có tỷ lệ C/N cao, cấu trúc khó phân giải, để phân giải được chất hữu cơ này vi sinh vật cần nhiều ôxy, do đó nhanh chóng tạo ra môi trường yếm khí (khử). Ngược lại khi bón phân vô cơ (đạm urê) dù ở dạng nào cũng phân hóa thành N03- mang tính ôxi hóa nên hạn chế quá trình khử. Bởi vì, NO3- là chất nhận electron để khử, quá trình trên có giải phóng ra N02- là chất khử, nhưng chỉ xảy ra trong giai đoạn ngắn sau đó bị khử tiếp và chuyển hóa thành N2 theo phản ứng: NO3- + 6H+ + 5e = ½ N2 + 3H20 Những kết quả trên cho thấy, khi đất trồng lúa ngập nước, ngoài yếu tố về thời gian ngập nước, thì chế độ bón phân cũng có ảnh hưởng đến động thái của Eh. Bón phân vô cơ như đạm hạn chế quá trình giảm Eh. Trong khi đó, bón phân hữu cơ làm tăng quá trình giảm Eh và giá trị Eh ở những trường hợp này thường đạt ngưỡng của sự hình thành CH4. Đồng thời bón phân hữu cơ chính là sự cung cấp nguồn vật chất để hình thành CH4. 1.2.2. Động thái của pH ở đất ngập nước Khi đất háo khí bị ngập nước, pH của nó giảm trong vài ngày đầu tiên, đạt mức tối thiểu, và sau đó tăng lên đường tiệm cận đạt giá trị khá ổn định trong vài tuần sau đó pH = 6,7 – 7,2 theo tỉ lệ 1: 1 huyền phù đất nước (theo tỉ lệ 1:1 hỗn hợp các hạt đất mịn không lắng trong nước) hoặc pH = 6,5-7,0 trong dung dịch đất. Toàn bộ ảnh hưởng của sự ngập nước làm tăng pH của đất axit và giảm pH của đất sodic và đất đá vôi. Do đó việc ngập nước làm ảnh hưởng tới pH của tất cả các loại đất trừ các bãi than bùn có tính axit và những ảnh hưởng này đến trạng thái hoạt động của Fe thấp khi pH tiến tới 7 (hình1.3). Nhiệt độ thấp làm trì hoãn sự thay đổi pH. Sự tăng pH của phần lớn các loại đất khoáng axit là do sự khử Fe(III) thành Fe(II) và có thể được mô tả bằng : Eh = 1,06 – 0,059 log Fe2+ - 0,177pH 10
Hoặc pE = 17,87 + pFe2+ - 3pH Sự giảm pH của đất kiềm là do sự tích lũy CO2 và được đưa ra bởi: pH = 6,0 – 2/3 log pCO2 đất đá vôi pH = 7,85 + log [HCO3-] – log pCO2 đất sodic Hình 1.3. Động thái pH ở một số loại đất khi ngập nước theo Ponnamperuma, F.N.(1985) [19] Các động thái của giá trị pH ở một vài loại đất ngập nước: pH của đất ngập nước ảnh hưởng rõ ràng đến nồng độ của các chất dinh dưỡng và các chất độc thông qua các tác động đến cân bằng hóa học, sự hấp thu vào phức hệ hấp thu, sự giải phóng khỏi phức hệ hấp phụ, sự bay hơi NH3 và các quá trình của vi khuẩn làm giải phóng hoặc phá hủy các chất dinh dưỡng của thực vật sinh ra các chất độc. 11
Hoạt độ của Fe và Al hòa tan trong nước ở pH khác nhau: pH Al(μmol/l) pH Fe(μmol/l) 3.5 2600 6.5 6200 4.0 260 7.0 320 4.5 26 7.5 6.2 5.0 2.6 8.5 0.62 Các hình này chỉ ra nồng độ độc của Al ở pH dưới 4,5 .Như vậy, các giá trị của pH được bắt gặp trong đất đất phèn hoặc vừa mới bị ngập nước và đất chua ở miền núi. Lợi ích của sự làm ngập nước đất lúa là nó gần như loại trừ tính độc của Al, nhưng tính độc của Fe là có khả năng xảy ra ở hầu hết đất khoáng mà không đạt được pH vượt quá 6,5 sau khi làm ngập lụt. Sự thiếu Fe có thể xảy ra ở đất ngập lụt pH cao mà hàm lượng chất hữu cơ thấp. Tính độc của CO2, các axit hữu cơ và H2S ở pH thấp cao hơn nhiều so với ở pH cao bởi vì nồng độ của các loại chất độc ( H2CO3, RCOOH và H2S) tăng lên khi pH giảm xuống. Tăng pH ở đất axit, giảm pH ở đất đá vôi và đất sodic làm tăng hàm lượng của P dễ tiêu. Ở pH cao và Pco 2 thấp (5kPa hoặc 0,05 bar), nồng độ của Ca và Mn có thể thấp để cho cây lúa phát triển, như được đưa ra phần tiếp sau đây: pH Ca(μmol/l) Mn (μmol/l) 8,5 1,4 0,026 8,0 14 0,26 7,5 140 2,6 7,0 1400 26 Sự giảm pH của đất sodic nhờ vào sự ngập nước làm giảm bớt sự thiếu Ca và Mn. Sự tổng hợp hay phân giải chất hữu cơ làm tăng tác dụng của sự ngập nước mặc dù sinh ra CO2 và axit. Sự tăng pH của đất axit làm tăng tính có lợi của P và 12
Mo. pH ở vào khoảng 7 giúp cho sự hoạt động của vi khuẩn bởi vì các vi sinh vật chính trong đất khử là vi khuẩn kỵ khí, thực hiện chức năng tốt nhất ở pH thuộc khoảng 7. Vì vậy, sự amoni hóa, sự khử nitơ , sự khử S042- và sự hình thành CH4 làm cho pH thay đổi ở đất ngập nước. Điều kiện pH tốt nhất (đo dung dịch của đất ngập nước) cho cây lúa là khoảng 6,6. Tại pH đó sự giải phóng N và P của vi khuẩn là nhanh; các nguồn cung cấp Cu, Fe, Mn, Mo và Zn là đẩy đủ; và nồng độ của các chất mà cản trở sự hấp thu chất dinh dưỡng – như Al, Fe, Mn, CO2 và các axit hữu cơ, H2S là ở dưới mức độ độc. Ở vùng nhiệt đới, đất khoáng với một hàm lượng chất hữu cơ > 2%, đạt được pH này sau từ 2 – 4 tuần làm ngập nước. Sự trì hoãn cây lúa đến 2 tuần sau khi ngập nước đã tăng sản lượng gần 1 tấn/ha trong mùa khô và gần 0,8 tấn/ ha vào mùa mưa đối với gieo trồng khi làm ngập nước. 1.3. Sự hình thành và phát thải khí mêtan ở đất trồng lúa nước 1.3.1. Sự phân giải các chất hữu cơ và hình thành CH4 Khí mêtan (CH4) là một hydrocacbon có thành phần chủ yếu là cacbon và hydro, trong đó cacbon là nguyên tố cơ bản của tất cả các vật thể hữu cơ và chu trình sinh học của nguyên tố này thuộc về những quá trình cơ bản của thế giới sự sống. Trong quá trình biến đổi của chất hữu cơ, tùy theo điều kiện môi trường mà sản phẩm cuối cùng có thể là CO2, H2O, các axit hữu cơ, H2 và CH4. Đây là quá trình biến đổi sinh học phức tạp có sự tham gia của vi sinh vật đã được nhiều tác giả đề cập (Muller G.(1964)[29], Alexander M.(1977)[9], Pagel H.(1996)[30]). Tùy theo nguồn gốc chất hữu cơ ban đầu, ví dụ xenlulo, lignin, hoặc chất đạm….mà quá trình biến đổi và sản phẩm cuối cùng rất khác nhau. Có thể hình dung những quá trình biến đổi chủ yếu như sau: a. sự phân giải của hydrocacbon Sự phân giải của hydrocacbon(xenlulo, tinh bột, hemixenlulo), trong đó xenlulo là chất khó phân hủy nhất trong nhóm này. Có thể hình dung sự phân hủy của xenlulo qua hình 1.4. Ở điều kiện háo khí thì CO2 và H2O hình thành, ở điều kiện yếm khí thì các axit hữu cơ, khí CH4 và H2 hình thành. Đây là quá trình biến đổi sinh hóa phức tạp 13