Luận án Biện pháp quản lý nước, kết hợp bón đạm, xử lý rơm rạ để nâng cao sinh trưởng lúa, giảm bốc thoát khí amoniac, phát thải khí mêtan và ôxit nitơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRẦN THỊ HỒNG HUYẾN BIỆN PHÁP QUẢN LÝ NƯỚC, KẾT HỢP BÓN ĐẠM, XỬ LÝ RƠM RẠ ĐỂ NÂNG CAO SINH TRƯỞNG LÚA, GIẢM BỐC THOÁT KHÍ AMONIAC, PHÁT THẢI KHÍ MÊTAN VÀ ÔXIT NITƠ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP CẦN THƠ - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRẦN THỊ HỒNG HUYẾN BIỆN PHÁP QUẢN LÝ NƯỚC, KẾT HỢP BÓN ĐẠM, XỬ LÝ RƠM RẠ ĐỂ NÂNG CAO SINH TRƯỞNG LÚA, GIẢM BỐC THOÁT KHÍ AMONIAC, PHÁT THẢI KHÍ MÊTAN VÀ ÔXIT NITƠ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGÀNH: KHOA HỌC CÂY TRỒNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGÔ NGỌC HƯNG CẦN THƠ - 2018 i TÓM LƯỢC Sự mất đạm do bốc thoát NH3 và phát thải N2O là một trong những nguyên nhân làm giảm hiệu quả sử dụng phân đạm của cây lúa. Ngoài ra, việc bón hữu cơ cho lúa làm tích lũy nguồn cacbon trong đất cũng dẫn đến phát thải nhiều CH4. Ba loại khí nhà kính NH3, N2O và CH4, là các tác nhân gây nên biến đổi khí hậu. Hiện nay, với việc thâm canh lúa từ 2 đến 3 vụ trong năm ở đồng bằng sông Cửu Long, thậm chí có nơi sản xuất đến 7 vụ trong 2 năm nên thời gian nghỉ của đất giữa 2 vụ quá ngắn đã đưa đến đất lúa luôn ở tình trạng khử kéo dài, kết hợp với việc bón nhiều phân N đã làm tăng sự sản sinh các khí NH3, N2O và CH4. Do đó, để góp phần hạn chế việc phát thải các loại khí nhà kính gây ảnh hưởng biến đổi khí hậu, việc nghiên cứu các biện pháp cải thiện kỹ thuật canh tác lúa qua quản lý nước, bón phân N và sử dụng phân hữu cơ là cần thiết. Đề tài “Biện pháp quản lý nước, kết hợp bón đạm, xử lý rơm rạ để nâng cao sinh trưởng lúa, giảm bốc thoát khí ammoniac, phát thải khí mêtan và ôxit nitơ” đã được thực hiện nhằm mục đích: (i) Xác định ảnh hưởng của biện pháp tưới khô ngập luân phiên trên lượng phát thải N2O, CH4 và bốc thoát NH3; (ii) Xác định ảnh hưởng của biện pháp bón thấm urê và bón rơm rạ trên lượng phát thải khí nhà kính; (iii) Xác định khả năng cải thiện sinh trưởng và năng suất lúa bằng biện pháp bón thấm urê và bổ sung hữu cơ từ rơm ủ. Sáu thí nghiệm đã được thực hiện từ năm 2012 đến 2014; bao gồm 3 thí nghiệm trong nhà lưới của Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng - Trường Đại học Cần Thơ và 3 thí nghiệm ngoài đồng tại thị xã Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long. Kết quả cho thấy: (i) Biện pháp tưới khô ngập luân phiên cho lúa giúp giảm phát thải CH4, giảm bốc thoát NH3 nhưng làm tăng phát thải N2O so với biện pháp tưới ngập liên tục. Biện pháp tưới khô ngập luân phiên giúp giảm lượng nước tưới khoảng 1.000 m 3/vụ lúa nhưng năng suất lúa và lượng hấp thu N của cây lúa vẫn không bị giảm. Ngoài ra, biện pháp tưới khô ngập luân phiên được ghi nhận là làm gia tăng số bông/m2. (ii) Biện pháp bón thấm urê - tái ngập nước sau một ngày có lượng bốc thoát NH3 rất thấp và có liên quan tình trạng pH thấp của nước ruộng, lượng N bị mất tối đa là 1,38 kgN/ha chiếm 1,39% lượng N bón cho lúa. Lượng N hiệu quả bón cho lúa trồng ở Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long trong vụ Đông Xuân là 80 kgN/ha với năng suất đạt được là 6,93 tấn/ha và hiệu quả nông học là 26,7 kg lúa/kgN. Bón thấm urê làm gia tăng số chồi/m2 và số bông/m2 so với cách bón urê theo cách thông thường, giúp cây lúa hấp thu N cao hơn (105 kgN/ha) biện pháp bón phân N trong điều kiện tưới ngập nước liên tục (95 kgN/ha). ii (iii) Bón rơm ủ nấm Trichoderma kết hợp với phân N vô cơ làm giảm phát thải CH4, gia tăng số bông/m 2 so với bón vùi rơm tươi, tuy nhiên không làm khác biệt về năng suất lúa. Từ khóa: bón thấm urê, bốc thoát NH3, khô ngập luân phiên, lúa, phát thải CH4, phát thải N2O, rơm ủ Trichoderma iii SUMMARY The loss of nitrogen due to NH3 volatilization and N2O emission is one of the reasons for the inefficient use of nitrogenous fertilizer of rice. In addition, the organic matter application for rice causes the accumulation of carbon in paddy soil that also leads to a high CH4 emissions. Three types of greenhouse gases as NH3 and N2O, and CH4 are the triggers of climate change. Currently, with the intensification of rice production from 2 to 3 crops per year in the Mekong Delta even 7 crops in 2 years so the time off between the two rice crops is too short that leads to the long-lasting reduction condition of paddy soil causing an increase of the gaseous production of NH3 and N2O, and CH4. Therefore, in order to contribute to limiting the emission of greenhouse gases that affect climate change, the study of measures to improve rice cultivation techniques through water management, nitrogenous fertilizer application, and use of organic fertilizer is needed. The study entitled "Water management measures in combination with nitrogen application, rice straw processing to enhance the growth of rice and reduce volatilization of ammonia, emissions of methane and nitrous oxide" was conducted to: (i) Identify the effects of alternate wetting and drying (AWD) irrigation method on CH4 and N2O emissions, and NH3 volatilization; (ii) Determine the effects of urea penetration and rice straw application measures on greenhouse gas emissions; and (iii) Determine the ability to improve growth and yield of rice by application of urea penetration and complementary of organic matter from rice straw compost. There were six experiments that were conducted between 2012 and 2014 included three experiments in the net house of the College of Agriculture and Applied Biology - Can Tho University and three field experiments in Binh Minh Town, Vinh Long Province. The results showed that: (i) Application of the AWD irrigation method led to mitigate CH4 emission and NH3 volatilization, but increased N2O emissions compared to continuous flooding (CF) irrigation. The AWD irrigation method saved irrigation water volume of 1,000 m 3 per one rice crop, but the rice yield and nitrogen absorption capacity of rice crop were not reduced. In addition, the AWD irrigation method resulted in an increase of number of flowers/m 2 ; (ii) The application of urea penetration and re-flooding after one day gave very low NH3 volatilization that related low pH status in the field, and the maximum nitrogen loss of 1.38 kgN/ha accounting for 1,39% of nitrogen fertilizer applied for rice. The effective nitrogen fertilizer for rice in Binh Minh Town, Vinh Long Province in winter-spring crop was 80 kgN/ha that resulted in rice yield of 6.93 tons/ha, and the agronomic efficiency was 26.7 kg rice grain per one kg nitrogen applied. Applying urea penetration increased the number of rice shoots/m 2 and rice flowers/m 2 compared to the normal nitrogen iv fertilizer application that helped a higher nitrogen absorbtion (105 kgN/ha) than that of nitrogen fertilizer application in continuous flooding irrigation (95 kgN/ha); and (iii) Application of Trichoderma rice straw compost in combination with inorganic nitrogen fertilizer mitigated CH4 emission, increased number of rice flowers/m 2 compared to buried fresh rice straw, however, did not increase rice yields. Keywords: alternate wetting and drying, CH4 emission, N2O emission, NH3 volatilization, rice, Trichoderma rice straw compost, urea penetration v C N HO X H CH N H V T N M Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ---------- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình “Biện pháp quản lý nước kết hợp bón đạm, xử lý rơm rạ để nâng cao sinh trưởng lúa, giảm bốc thoát khí amoniac, phát thải khí mêtan và ôxit nitơ” là của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất k công trình, luận án nào trước đây. vi LỜI CẢM TẠ Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đ quý báu của Quý thầy cô, các anh chị, các em và các bạn. Với l ng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày t lời cảm ơn chân thành đến: GS.TS. Ngô Ngọc Hưng, người đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi nghiên cứu, cũng như chỉnh sửa và cho những lời khuyên thật quý báo để tôi hoàn thành luận án này. PGS.TS. Nguyễn Thành Hối, người đã động viên, hỗ trợ và hướng dẫn thực hiện công việc trao dồi chuyên môn trong suốt quá trình học tập. Và xin gửi đến Quý Thầy, Cô, anh chị Bộ Môn Khoa học Đất và Bộ môn Khoa học Cây Trồng đã tạo mọi điều kiện giúp đ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện các thí nghiện và phân tích. Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến TS. Cao Văn Phụng – Hội Liên hiệp KHKT Thành phố Hồ Chí Minh, người đã hỗ trợ thực hiện đo kết quả các chỉ tiêu của thí nghiệm trong nhà lưới và ngoài đồng. Ban iám hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng, Khoa Sau Đại học, Ph ng Quản lý Khoa học và các ph ng ban của Trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường. Xin bày t l ng biết ơn chân thành tới Ban iám đốc Sở Nông nghiệp & PTNT Vĩnh Long đã tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Lời cảm ơn xin dành cho: Nguyễn Quốc Khương, Lê Trung Thành, Nguyễn Thị Mỹ Xuyên, Nguyễn Thị Ngọc Hà, Nguyễn Kim Quyên, Nguyễn Khánh Duy, Trần Chúc nh, Quách Văn Thiện, Đào Thanh Phong, Võ Thị Tuyết Mai, Lê Hoàng nh, Nguyễn Thị Diệu Hiền, Nguyễn Văn Dương – những người đã cũng tôi trực tiếp thực hiện các thí nghiệm này. Trân trọng cảm ơn đến các anh chị đồng nghiệp, các em sinh viên trong quá trình học tập và thực hiện các thí nghiệm mà tôi chưa kể hết trong lời cảm ơn này. Cuối cùng xin gửi lời tri ân đến người thân trong gia đình đã động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành luận án này. vii MỤC LỤC Nội dung Trang TÓM LƯỢC ............................................................................................... i SUMMARY ............................................................................................. iii Lời cam đoan ............................................................................................. v Lời cảm tạ ................................................................................................ vi Mục lục ................................................................................................... vii Danh sách bảng ...................................................................................... xiii Danh sách hình ........................................................................................ xv Danh sách chữ viết tắt .......................................................................... xviii CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................ 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................... 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................... 2 1.3 Những đóng góp mới của luận án ..................................................... 2 1.3.1 Ý nghĩa khoa học ................................................................ 2 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn .................................................................... 2 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................. 3 1.4.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................... 3 1.4.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu ........................................ 3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................. 4 2.1 Vấn đề biến đổi khí hậu ................................................................... 4 2.2 Nhu cầu nước của cây lúa ................................................................ 5 2.2.1 Ảnh hưởng của nước đến sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa ........................................................................................................... 5 2.2.2 Chế độ nước qua các thời k sinh trưởng và ảnh hưởng đến năng suất lúa .................................................................................................... 5 2.2.2.1 Thời k gieo mạ ..................................................... 5 2.2.2.2 Thời k cuối đẻ nhánh đến đứng cái ..................... 6 2.2.2.3 Thời k làm đ ng đến trổ bông ............................. 6 viii 2.2.2.4 Thời k trổ đến chín .............................................. 6 2.2.3 Các kỹ thuật tưới nước tiết kiệm cho lúa ............................ 6 2.2.3.1 Hiệu quả sử dụng nước trên lúa ............................. 7 2.2.3.2 Canh tác ở chế độ nước bão h a ............................ 8 2.2.3.3 Chế độ tưới nước khô ngập luân phiên .................. 8 2.3 Bón phân cho cây lúa ....................................................................... 11 2.3.1 Nhu cầu phân N của cây lúa ............................................... 12 2.3.2 Nghiên cứu về liều lượng, thời gian và hiệu quả sử dụng N bón cho lúa ........................................................................................................................ 12 2.3.2.1 Liều lượng sử dụng N bón cho lúa ........................ 12 2.3.2.2 Thời gian bón N cho lúa ........................................ 13 2.3.2.3 Hiệu quả sử dụng N của lúa .................................. 13 2.3.3 Ảnh hưởng của biện pháp quản lý nước và bón phân N đến sự phát thải khí nhà kính ............................................................................. 14 2.3.3.1 Sự biến đổi hóa học sau khi bón phân N ............... 14 2.3.3.2 Kỹ thuật bón thấm urê ........................................... 16 2.4 Phân hữu cơ ...................................................................................... 18 2.4.1 Vai tr của phân hữu cơ ...................................................... 18 2.4.2 Sự phân hủy chất hữu cơ .................................................... 19 2.4.2.1 Trong điều kiện thoáng khí ................................... 19 2.4.2.2 Trong điều kiện yếm khí ....................................... 19 2.4.3 Hiệu quả sử dụng phân hữu cơ ........................................... 19 2.5 Sự bốc thoát khí NH3, phát thải CH4, N2O, N2 và các yếu tố ảnh hưởng lên sự bốc thoát NH3, phát thải N2O ...................................................... 22 2.5.1 Sự bốc thoát khí NH3, phát thải CH4, N2O và N2 ............... 22 2.5.1.1 Sự bốc thoát khí NH3 ............................................. 22 2.5.1.2 Sự phát thải khí N2O và N2 ................................... 23 2.5.1.3 Sự bốc thoát khí CH4 ............................................. 24 ix 2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng lên sự bốc thoát NH3, phát thải N2O...25 2.5.2.1 pH nước bề mặt ..................................................... 25 2.5.2.2 Nhiệt độ ................................................................. 25 2.5.2.3 Tốc độ gió .............................................................. 26 2.5.2.4 Mực nước .............................................................. 26 2.6 Tình hình canh tác lúa tại ĐBSCL ................................................... 26 CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................................................... 28 2.1 Vật liệu nghiên cứu .......................................................................... 28 3.1.1 Đất thí nghiệm .................................................................... 28 3.1.2 Đặc điểm khí hậu ................................................................. 28 3.1.3 Giống lúa ............................................................................. 28 3.2 Nội dung nghiên cứu ........................................................................ 28 3.3 Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 29 3.3.1 Thí nghiệm nhà lưới ............................................................ 29 3.3.1.1 Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên trên khả năng phát thải khí nhà kính và năng suất lúa ......... 29 3.3.1.2 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của kỹ thuật bón thấm urê trên khả năng phát thải khí nhà kính và năng suất lúa ........................... 31 3.3.1.3 Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của phân hữu cơ vi sinh lên khí phát thải nhà kính và năng suất lúa .................................................. 32 3.3.2 Thí nghiệm đồng ruộng ...................................................... 33 3.3.2.1 Thí nghiệm 4: Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên trên khả năng phát thải khí nhà kính và năng suất lúa ......... ................................................................................................................. 33 3.3.2.2 Thí nghiệm 5: Ảnh hưởng của kỹ thuật bón thấm urê trên khả năng phát thải khí nhà kính và năng suất lúa ........................... 37 3.3.2.3 Thí nghiệm 6: Ảnh hưởng của phân hữu cơ vi sinh lên khí phát thải nhà kính và năng suất lúa .................................................. 39 3.4 Phương pháp thu thập và phân tích mẫu .......................................... 41 x 3.4.1 Phương pháp thu thập và phân tích khí NH3 ...................... 41 3.4.1.1 Dụng cụ thu khí ..................................................... 41 3.4.1.2 Phương pháp thu thập và phân tích khí NH3 ......... 43 3.4.2 Phương pháp thu thập và phân tích khí CH4 và N2O ........... 44 3.4.2.1 Dụng cụ thu khí ..................................................... 44 3.4.2.2 Phương pháp thu thập và phân tích khí CH4 và N2O ................................................................................................................. 46 3.4.3 Phân tích mẫu đất, cây và các chỉ tiêu phân tích ............................................................................................................ .46 3.5 Xử lý số liệu ..................................................................................... 47 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................... 48 4.1 Thí nghiệm nhà lưới ............................................................................ 48 4.1.1 Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên trên khả năng phát thải khí nhà kính và năng suất lúa ........................ .48 4.1.1.1 Ảnh hưởng đến lực giữ nước và thế oxy hóa khử (Eh) ................................................................................................................. 48 4.1.1.2 Ảnh hưởng đến phát thải khí CH4 .......................... 50 4.1.1.3 Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên lên phát thải khí N2O .................................................................................... 52 4.1.1.4 Ảnh hưởng của kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên lên sự sinh trưởng lúa, thành phần năng suất và năng suất thực tế ................... 54 4.1.2 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của kỹ thuật bón thấm urê trên khả năng phát thải khí nhà kính và năng suất lúa ......................................... 59 4.1.2.1 Ảnh hưởng của biện pháp bón thấm urê đến khả năng bốc thoát NH3 ......................................................................................... 59 4.1.2.2 Ảnh hưởng của biện pháp bón thấm urê đến tốc độ phát thải CH4 .................................................................................................. 63 4.1.2.3 Ảnh hưởng của biện pháp bón thấm urê đến tốc độ phát thải N2O .................................................................................................. 64 4.1.3 Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của phân hữu cơ vi sinh lên khí phát thải nhà kính và năng suất lúa ................................................................ 65 xi 4.1.3.1 Ảnh hưởng của phân hữu cơ vi sinh lên phát thải khí CH4 ......................................................................................................... 65 4.1.3.2 Ảnh hưởng của