Tiểu luận Khí mêtan trong nông nghiệp và biến đổi khí hậu

VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ &QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG BỘ MÔN: MÔI TRƯỜNG HỌC CƠ BẢN TIỂU LUẬN TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009 GVHD: Gs.TSKH Lê Huy Bá SVTH: Phạm Thị Tuấn MSSV: 07702791 Lớp: ĐHMT3B Niên khóa: 2008-2009 MỤC LỤC Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU 1 1. Đặt vấn đề 1 2. Mục đích, yêu cầu 1 3. Phương pháp nghiên cứu 2 4. Phạm vi nghiên cứu 2 Ph ần 2: PHẦN NỘI DUNG 3 1. Khí mêtan và biến đổi khí hậu 3 1.1. Tổng quan về biến đổi khí hậu 3 1.2. Mêtan và ảnh hưởng của mêtan đến biến đổi khí hậu 4 2. Khí mêtan trong hoạt động nông nghiệp 7 2.1. Chăn nuôi 8 2.2. Hoạt động sản xuất lúa gạo 10 3. Các biện pháp khắc phục 11 Ph ần 3: KẾT LUẬN 13 Phần 1: PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Như ta đã biết hiện nay vấn đề biến đổi khí hậu đang là một vấn đề nóng bỏng không chỉ của riêng quốc gia nào, mà đã là mối đe dọa chung cho cả nhân loại. Biến đổi khí hậu đang diễn ra từng ngày và có ảnh hưởng trực tiếp lên đời sống, sức khỏe, tính mạng của con người cũng như sự sống của trái đất chúng ta. Hiện tượng nóng lên toàn cầu xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó sự gia tăng khí thải nhà kính trong các thế kỉ gần đây chính là nguyên nhân chủ quan và cơ bản của con người. Từ sau cách mạng công nghiệp, cùng với sự phát triển của các loại máy móc, động cơ, năng suất lao động đã tăng lên đột biến, tạo một bước ngoặt mới cho nền kinh tế toàn thế giới. Nhưng song song với sự tăng trưởng là sức ép của các loại khí thải nhà kính lên môi trường thông qua hoạt động khai thác và tiêu thụ nguyên nhiên liệu. Các khí nhà kính có ảnh hưởng lớn nhất đến khí hậu trái đất là CO2, mêtan, nitơ oxit, CFC… Mêtan là khí nhà kính thứ hai sau CO2, có nguồn gốc từ thiên nhiên và từ các hoạt động của con người. Trong các năm gần đây nồng độ mêtan tăng lên đột biến thông qua các hoạt động sản xuất của con người, trong đó hoạt động sản xuất nông nghiệp là nguồn phát thải mêtan đáng kể. Vì vậy trong phần nội dung sau chúng ta sẽ đi tìm hiểu ảnh hưởng của mêtan và nguồn phát thải mêtan từ ngành sản xuất nông nghiệp đến biến đổi khí hậu trên thế giới như thế nào. Mục đích, yêu cầu Mục đích Tìm hiểu sự tác động của mêtan đến biến đổi khí hậu trái đất. Tìm hiểu quá trình tạo thành mêtan trong nông nghiệp và lượng mêtan trong khí quyển. Yêu cầu Nắm được nội dung cơ bản của biến đổi khí hậu. Nêu được tầm quan trọng của mêtan trong biến đổi khí hậu toàn cầu. Trình bày hiện trạng và số liệu cụ thể lượng khí mêtan trong khí quyển. Nêu ra được các quá trình cơ bản trong nông nghiệp sản sinh ra khí mêtan, và lượng mêtan sinh ra trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp. Phương pháp nghiên cứu Tập hợp các tài liệu và số liệu liên quan đến đề tài, từ đó tóm tắt và chọn lọc các vấn đề chủ chốt để hoàn thành đề tài. Phạm vi nghiên cứu Vì kiến thức và tài liệu hạn hẹp nên đề tài chỉ dừng lại ở việc trình bày các vấn đề cơ bản của biến đổi khí hậu toàn cầu, về ảnh hưởng của mêtan, mêtan trong nông nghiệp và các số liệu thống kê chung trên thế giới. Phần 2: PHẦN NỘI DUNG Khí mêtan và biến đổi khí hậu Tổng quan về biến đổi khí hậu a) Khái niệm Biến đổi khí hậu là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo. Hình 1: Thải khí nhà kính vào khí quyển- một trong những nguyên nhân của biến đổi khí hậu b) Nguyên nhân Nguyên nhân chính làm biến đổi khí hậu trái đất là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải khí nhà kính, các hoạt động khai thác quá mức các bể hấp thụ và bể chứa khí nhà kính như sinh khối, rừng, các hệ sinh thái biển, ven bờ và đất liền khác. c) Biểu hiện Các biểu hiện của sự biến đổi khí hậu trái đất gồm: - Sự nóng lên của khí quyển và trái đất nói chung. - Sự thay đổi thành phần và chất lượng khí quyển có hại cho môi trường sống của con người và các sinh vật trên trái đất. - Sự dâng cao mực nước biển do tan băng dẫn tới sự ngập úng của các vùng đất thấp, các đảo nhỏ trên biển. - Sự di chuyển của các đới khí hậu tồn tại hàng nghìn năm trên các vùng khác nhau của trái đất dẫn tới nguy cơ đe doạ sự sống của các loài sinh vật, các hệ sinh thái và hoạt động của con người. - Sự thay đổi cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hoá khác. - Sự thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần của thuỷ quyển, sinh quyển, các địa quyển. 1.2. Mêtan và ảnh hưởng của mêtan đến biến đổi khí hậu 1.2.1.Nguồn gốc của khí mêtan Khí mêtan, còn được gọi là khí thiên nhiên được sinh ra từ các nguồn chủ yếu sau: Khí sinh ra từ các hoạt động phân hủy kị khí ở các vùng ngập nước như đầm lầy, ao hồ, trầm tích mêtan dưới đáy biển. Chất thải chăn nuôi, từ dạ dày của các loài nhai lại. Từ hoạt động khai thác dầu mỏ, đốt nhiên liệu hóa thạch, chưng cất than đá… Tính chất hóa học của mêtan Hình 2: Cấu tạo phân tử mêtan Công thức cấu tạo của mêtan là CH4, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng ankan. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị, hóa lỏng ở nhiệt độ -1620C, hóa rắn ở nhiệt độ -1830C. Tại lớp trầm tích dứơi đáy đại dương, đặc biệt là Bắc Băng Dương, hàng triệu tấn mêtan tồn tại ở dạng rắn qua quá trình mục rửa của xác thực vật sau hàng ngàn năm. Khí mêtan rất dễ cháy trong không khí, được dùng làm nhiên liệu đốt cháy, thắp sáng trong sinh hoạt và trong ngành năng lượng… Ảnh hưởng của mêtan lên biến đổi khí hậu Mêtan là khí quan trọng thứ hai, sau CO2, do con người gây ra tác động đến khí hậu trái đất. Như ta biết, khí CO2, NH4, NOx, CFC… trong khí quyển đóng vai trò như một nhà kính khổng lồ bao quanh trái đất. Bức xạ nhiệt của mặt trời là bức xạ có sóng ngắn nên dễ dàng xuyên qua tầng ôzôn và lớp khí nhà kính để đi tới mặt đất, ngược lại bức xạ nhiệt từ trái đất là bức xạ sóng dài nên không thể xuyên qua lớp khí nhà kính được, khí nhà kính giữ lại bức xạ nhiệt làm cho trái đất nóng lên. Hiệu ứng nhà kính có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên trái đất, vì nếu không có hiệu ứng này, nhiệt độ trái đất sẽ giảm xuống dưới -150C. Hình 3: Hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên, nếu khí nhà kính hình thành ngày càng nhiều thì lại làm cho nhiệt độ trái đất tăng lên. Các nghiên cứu cho thấy trong khoảng thời gian từ 1885 đến 1940 do nồng độ khí nhà kính tăng từ 0,027% đến 0,035%, nhiệt độ trái đất đã tăng 0,50C. Hình 4: Sự tăng nhiệt độ trái đất từ năm 1860 đến năm 2000 Theo dự báo, nếu không có biện pháp khắc phục, nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên 1,5 – 4,50C vào năm 2050. Nhiệt độ trái đất tăng sẽ làm tan băng và làm mực nước biển dâng cao, các đồng bằng lớn và nhiều vùng sản xuất lương thực trù phù, các vùng đông dân cư sẽ bị chìm dưới nước biển. Mêtan trong khí quyển có tác dụng làm trái đất ấm lên bằng 1/3 so với CO2. Một phân tử mêtan có khả năng bẫy nhiệt gấp 23 lần so với CO2, và cứ 100 năm, mỗi kilogam mêtan làm ấm trái đất gấp 23 lần so với mỗi kilogam CO2. Hình 5: Tỷ lệ mêtan trong tổng các khí nhà kính Sự gia tăng khí mêtan trong khí quyển Nồng độ mêtan trong khí quyển đã tăng gần 3 lần kể từ thời kì tiền công nghiệp, trong đó con người đóng góp 1/5 lượng khí thài gây nóng lên toàn cầu này, cụ thể là trong thời kì tiền công nghiệp, sự tập trung khí mêtan là khoảng 700 ppb, nhưng vào cuối thế kỉ 20 nồng độ của mêtan đã tăng lên là 1740 ppb. Hình 6: Nồng độ khí methane trong khí quyển từ năm 1984 đến năm 2004 Biểu đồ sau đây thể hiện mức độ gia tăng của nồng độ mêtan trong khí quyển từ năm 1984 đến năm 2004. Khí thiên nhiên(natural gas) là khí thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu ở trong vỏ Trái Đất, được khai thác và tinh lọc thành nhiên liệu cung cấp cho kho khoảng 25% nguồn cung năng lượng thế giới. Khí thiên nhiên chứa khoảng 80-100% mêtan, vì vậy các hoạt động khai thác dầu khí cũng là một nguồn phát thải mêtan quan trọng. Các quốc gia có nền công nghiệp khai thác dầu khí mạnh như Nga, Hoa Kì, Ukraina, Iran… là các quốc gia thải ra lượng mêtan lớn. Hình 7: Top 20 quốc gia với lượng khí methane( Mt CO2 e) thải nhiều nhất từ hoạt dộng khai thác dầu khí Khí mêtan trong hoạt động nông nghiệp Sau đây là biểu đồ thể hiện tỷ lệ các khí nhà kính thải ra thông qua các nguồn tự nhiên, các hoạt động kinh tế của con người. Hình 8: Tỷ lệ lượng khí nhà kính thải ra do hoạt động nông nghiệp Theo biểu đồ trên, ngành nông nghiệp chiếm 12,5% lượng khí thải nhà kính, và 40% lượng mêtan trong tổng lượng khí thải. Trong đó, sản xuất lúa gạo và chăn nuôi gia súc là hai nguồn thải mêtan lớn nhất. Chăn nuôi Theo báo cáo mới đây của Tổ chức Lương thực Thế giới( FAO), nghành chăn nuôi tạo ra khí thải nhà kính tương đương với thán khí, 18% nhiều hơn cả lượng khí thải ra từ giao thông vận tải. Với sự gia tăng dân số cùng với chất lượng cuộc sống càng ngày càng được nâng cao, nhu cầu về các sản phẩm từ thịt, bơ, sữa cũng tăng đột biến. Sản xuất thịt thế giới, dự đoán nhiều hơn gấp đôi từ 229 triệu tấn vào năm 2000 đến 465 triệu tấn vào năm 2050, trong khi sản lượng sữa được dự đoán sẽ tăng từ 580 triệu tấn đến 1043 triệu tấn. 2.1.1 Sự hình thành mêtan ở động vật nhai lại Hình 9: Quá trình tiêu hóa của các loài nhai lại thải ra một lượng lớn khí mêtan Khí mêtan trong chăn nuôi được thải ra chủ yếu là thông qua hoạt động chăn nuôi gia súc, đặc biệt là các loài nhai lại như bò, cừu, ngựa… Sở dĩ như vậy là vì trong quá trình tiêu hóa của các loài nhai lại, mêtan được sản xuất trong dạ dày của loài này nhờ sự phân hủy yếm khí của hai loại vi khuẩn là methanogenic và protozoa, quá trình này gọi là quá trình lên men enteric. Thức ăn xơ thô được phân giải một phần bởi vi sinh vật phân giải chất xơ (xenlulaza) do chúng tiết ra. Quá trình phân giải các carbohydrat phức tạp sinh ra các đường đơn. Đối với gia súc dạ dày đơn thì đường đơn, như glucoza, là sản phẩm cuối cùng được hấp thụ, nhưng đối với gia súc nhai lại thì đường đơn được vi sinh vật dạ cỏ tạo ra các axit béo bay hơi. Phương trình lên men glucoza, sản phẩm trung gian của quá trình phân giải các gluxit phức tạp, để tạo ra các axit béo bay hơi như sau: Axit axetic C6H12O6 + 2H2O ----> 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 Axit propionic C6H12O6 + 2H2 ------> 2CH3CH2COOH + 2H2O Axit butyric C6H12O6 -------> CH3-CH2CH2COOH + 2CO2 + 2 H2 Khí mêtan m4H2 + CO2 -------> CH4 + 2H2O Phần lớn các axit béo bay hơi được hấp thụ qua vách dạ cỏ trở thành nguồn năng lượng chính cho gia súc nhai lại. Còn các khí thể, mà chủ yếu là mêtan sẽ thoát ra ngoài qua phản xạ ợ hơi. Trung bình một con cừu thải ra 30 lít khí mêtan một ngày, và một con bò sẽ thải ra tới 200 lít một ngày. Như vậy theo tính toán, nền chăn nuôi gia súc thế giới mỗi năm thải ra khoảng 80 triệu tấn khí mêtan, chiếm khoảng 28% lượng mêtan được thải ra do hoạt động của con ngừơi. Hình 10: Lượng gia súc thuộc động vật nhai lại và nồng độ khí mêtan tương ứng trên thế giới Hoạt động sản xuất lúa gạo Hơn 90% diện tích trồng lúa trên thế giới là diện tích đất ngập nước trong điều kiện nhiệt độ nóng ẩm, đây là điều kiện tối ưu cho sự sản sinh khí mêtan thông qua quá trình phân hủy kị khí. Năm 2000, tổng lượng khí mêtan phát thải do hoạt động sản xuất lúa gạo là 625 triệu tấn, chiếm 15-20% lượng mêtan do con ngưới tạo ra. Lúa là một loại lương thực phổ biến được trồng nhiều nơi trên thế giới, tùy vào điều kiện môi trường ở mỗi vùng mà lượng mêtan thải ra cũng khác nhau. Sự khác biệt này dựa vào các điều kiện như độ sâu, nhiệt độ, thời gian canh tác…Mùa khô lượng mêtan thải ra ít hơn mùa khô do chế độ nước ít ngập hơn. Dựa vào sơ đồ trên ta thấy được sự gia tăng đột biến của lượng khí thải mêtan trong các năm gần đây. Trong đó lượng mêtan do hoạt động sản xuất lúa gạo là nguồn thải chiếm tỷ lệ nhiều nhất trong lượng tổng khí thải ra. Nhưng trong một vài thập kỉ trở lại đây, với sự phát triển của chăn nuôi, thì lượng mêtan từ hoạt động chăn nuôi đã vượt qua lượng phát thải mêtan từ sản xuất lúa gạo. Riêng ở Việt Nam chúng ta, vốn là quốc gia đứng thứ hai trên thế giới về hoạt động sản xuất lúa gạo với sản lượng trung bình hàng năm là trên 30 triệu tấn thì lượng mêtan từ sản xuất lúa gạo là chủ yếu. Hình 9: Tỷ lệ % phát thải mêtan ở Việt Nam Việt Nam là quốc gia có lượng phát thải mêtan đứng thứ 15 thế giới, trong đó hoạt động sản xuất lúa gạo chiếm 58%. Các biện pháp khắc phục Ứng dụng công nghệ biogas trong chăn nuôi Biogas hay còn gọi là khí sinh học, là một hỗn hợp khí được sản sinh từ sự phân hủy những chất hữu cơ dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí. Trong đó thành phần chủ yếu là khí mêtan( CH4). Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học gồm 2 loại: Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật: Chủ yếu là phân và nước tiểu gia súc, gia cầm thải ra trong quá trình chăn nuôi. Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: Các nguyên liệu thực vật gồm phụ phẩm cây trồng như rơm rạ, thân lá ngô, khoai, đậu và các laọi cây xanh hoang dại như bèo, cây cỏ sống dưới nước… Quá trình sản xuất khí sinh học được thực hiện trong các bể phân hủy sinh học. Nguyên liệu được nạp vào bể yếm khí, qua quá trình phân hủy yếm khí nhờ các vi sinh vật, khí mêtan sinh ra được thu hồi qua thiết bị thu khí dẫn tới nơi tiêu thụ. Nguyên liệu sau khi được phân hủy hoàn toàn được sử dụng để làm phân bón Ứng dụng biogas trong chăn nuôi là một biện pháp xử lý chất thải chăn nuôi được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhờ các ưu điểm vượt trội sau: Xử lý lượng chất thải chăn nuôi, tránh gây ô nhiễm môi trường và ngăn chặn các bệnh truyền nhiễm cho gia súc và con người. Tạo nguồn khí đốt rẻ tiền cho gia đình. Tận dụng lượng phân bón cho nông nghiệp. Biogas là mô hình phù hợp cho các nước sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là các nước nhiệt đới có điều kiện khí hậu nóng ẩm và nền sản xuất nông nghiệp nhỏ lẻ. Các biện pháp cắt giảm lượng mêtan trong sản xuất nông nghiệp. Tăng năng suất nhằm cắt giảm diện tích đất ngập nước, luân canh tăng vụ, hạn chế để đất trống. Ứng dụng kĩ thuật trồng lúa trên đất ẩm, giảm diện tích đất ngập nước. Sử dụng công nghệ biogas trong chăn nuôi và trồng trọt nhằm giảm lượng khí thải từ chất thải, đặc biệt là các chất thải nhà kính: CO2, mêtan, nitơ oxit.. Sản xuất nông nghiệp theo mô hình VAC nhằm tuần hoàn năng lượng trong chăn nuôi, sản xuất. Thay đổi chế độ dinh dưỡng hợp lý, phát triển công nghệ sinh học vào chăn nuôi nhằm cắt giảm lượng khí mêtan do gia súc thải ra. Phần 3: KẾT LUẬN Khí mêtan trong nông nghiệp là nguồn khí nhà kính đáng kể tác động trực tiếp đến quá trình biến đổi khí hậu của trái đất. Trong đó nguồn phát thải mêtan thứ nhất chính là chăn nuôi gia súc thuộc loài nhai lại như bò, cừu, dê, ngựa… Mêtan sinh ra từ các loài này dựa trên đặc tính hệ tiêu hóa và sự cộng sinh giữa dạ dày và các loại vi khuẩn phân hủy yếm khí. Ngoài ra các quá trình phân hủy chất thải chăn nuôi cũng tạo ra một lượng khí nhà kính đáng kể. Nguồn phát thải mêtan thứ hai là hoạt động sản xuất lúa gạo do sự phát thải mêtan từ các vùng canh tác ngập nước và sự phân hủy các chất hữu cơ là xác các loại thực vật. Mêtan là chất thải nhà kính quan trọng thứ hai sau khí CO2, sự gia tăng lượng khí nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất, kéo theo hàng loạt các nguy cơ đe dọa cuộc sống của con người và môi sinh trái đất: sự dâng lên của mực nước biển do sự tan băng ở hai cực, sự gia tăng hạn hán, lũ lụt…Biến đổi khí hậu còn gây ảnh hưởng đến nền chính trị- xã hội thế giới, khi mà hậu quả của nó tác động nặng nề đến các nước nghèo, đe dọa an ninh lương thực, bệnh tật, và nơi sinh sống. Để ngăn chặn tình trạng trên, một trong những biện pháp là ngăn chặn lượng phát thải khí nhà kính, trong đó có mêtan bằng cách giảm thiểu diện tích trồng trọt bằng luân canh tăng vụ, tái sử dụng lượng chất thải chăn nuôi, thay đổi chế độ dinh dưỡng của con người nhằm cắt giảm lượng tiêu thụ thịt trên thế giới. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.nea.gov.vn/ [2] www.climate.org/ [3] www.worldchanging.com/archives/008062.html [4] www.treehugger.com/2007/08/19-week/