Tên đề tài: “Hiệu quả của các dạng phân đạm trên phát thải N₂O, bốc thoát NH₃ và năng suất trong canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long” .

 Tác giả: Võ Thanh Phong, Khóa 2012 đợt 2.

 Chuyên ngành: Khoa học đất;  Mã số: 62620103. Nhóm ngành: Nông, lâm nghiệp và thủy sản

 Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Mỹ Hoa, Trường Đại học Cần Thơ.

 Thời gian bảo vệ: 14 giờ 00, Thứ sáu ngày 17 tháng 11 năm 2017.

 Địa điểm bảo vệ: Phòng Bảo vệ luận án tiến sĩ (Phòng họp 3, lầu 2, Nhà điều hành), Khu II – Trường Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Nghiên cứu được thực hiện nhằm khảo sát hiệu quả của việc bón các dạng phân đạm: urê, urê-nBTPT [N-(n-butyl) thiophosphoric triamide], NPK viên nén và NPK IBDU (Isobutylidene diurea) trên sự phát thải N₂O, sự mất đạm do bốc hơi NH₃ và năng suất trong canh tác lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long.

Nghiên cứu 1: Khảo sát sự hòa tan và thủy phân của các dạng phân đạm trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy phân urê nBTPT có hiệu quả giảm thủy phân urê nhưng chưa đạt cao. Trong khi đó, phân NPK IBDU có tỷ lệ NH₄⁺-N thủy phân chỉ 17,3% hàm lượng N ban đầu có trong phân sau 2 tháng ủ có thể do phân IBDU có chứa đến 90% dạng đạm không trong tan trong nước.

Nghiên cứu 2: Khảo sát sự phân bố đạm trong đất và lượng đạm trong nước sau các đợt bón phân. Kết quả khảo sát chỉ ra rằng hàm lượng NH₄⁺-N trong nước và ở lớp đất 0 - 3 mm ở nghiệm thức bón phân urê và urê-nBTPT có  khuynh hướng cao ở 1 - 3 ngày đầu sau các đợt bón phân và giảm dần sau đó. Trong khi đó, nghiệm thức bón NPK viên nén có hàm lượng NH₄⁺-N trong nước và ở lớp đất 0 - 3 mm duy trì ở mức thấp và ổn định trong suốt giai đoạn được khảo sát. Bón vùi NPK viên nén thì hàm lượng NH₄⁺-N tập trung trong đất cao ở độ sâu 5 - 10 cm.

Nghiên cứu 3: Nghiên cứu sự phát thải N2O và sự bốc thoát NH3 trong canh tác lúa.

(1) Ảnh hưởng của các dạng phân đạm và tưới khô ngập luân phiên đến sự phát thải N2O và năng suất trong canh tác lúa. Thí nghiệm đồng ruộng cho thấy tổng lượng N₂O phát thải của các nghiệm thức urê-nBTPT, NPK viên nén hay NPK IBDU (1,67, 1,47 hay 1,29 kgN₂O/ha, theo thứ tự) thấp hơn so với nghiệm thức bón urê (2,47 kgN₂O/ha). Trong khi đó tổng lượng N₂O phát thải ở chế độ tưới khô ngập luân phiên (1,77 kgN₂O/ha) không khác biệt ở chế độ tưới theo nông dân (1,69 kgN₂O/ha). Kết quả trên năng suất lúa cho thấy biện pháp tưới khô ngập luân phiên đã góp phần tăng năng suất (4,71 tấn/ha) so với cách tưới ngập của nông dân (4,31 tấn/ha). Tương tự, lượng đạm trong rơm và trong hạt cũng như hiệu quả thu hồi đạm ở hai chế độ nước cũng cho kết quả tương tự năng suất.

(2) Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các dạng phân đạm đến lượng bốc thoát NH₃ trên đất lúa trong vòng 1 - 7 NSKB của cả 3 đợt bón phân ở điều kiện đồng ruộng. Kết quả thí nghiệm cho thấy tổng lượng bốc thoát NH₃ ở mức thấp (3,14% - 5,94%). Tuy nhiên, tốc độ bốc thoát NH₃ tăng theo sự gia tăng lượng NH₄⁺ trong nước ruộng sau mỗi đợt bón vãi phân urê và urê-nBTPT. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng trong điều kiện đất phèn tiềm tàng (pH = 4,5), bón phân khi ruộng có nước và pH nước ruộng chỉ ở mức gần trung tính có thể đã dẫn đến tổng lượng NH₃ bốc thoát ở mức thấp kể cả khi bón phân đạm urê.

Nghiên cứu 4: Đánh giá ảnh hưởng của các dạng phân đạm trên năng suất lúa và hiệu quả sử dụng phân đạm. Kết quả nghiên cứu cho thấy bón phân urê-nBTPT và NPK viên nén ở liều lượng 80 kgN/ha (5,80 tấn/ha và 5,77 tấn/ha, theo thứ tự) có khuynh hướng làm gia tăng năng suất, nhưng không khác biệt có ý nghĩa thống kê so với bón urê ở liều lượng 80 kgN/ha (5,17 tấn/ha) nhưng làm gia tăng năng suất so với bón urê ở liều lượng 100 kgN/ha (4,83 tấn/ha). Bên cạnh đó, hàm lượng đạm trong rơm và trong hạt khi bón phân urê-nBTPT (0,69% và 1,14%) hay phân NPK viên nén (0,68% và 1,15%) cho thấy được hiệu quả hấp thu đạm của cây lúa cao hơn so với bón phân urê (0,63% và 1,08%) ở lượng bón 80 kgN/ha. Năng suất lúa đạt cao ở lượng bón 80 kgN/ha, tương đương bón 100kg N/ha qua 3 vụ canh tác trên đất phèn tiềm tàng và đất phù sa ven sông Cửu Long, nên một lần nữa khẳng định liều lượng bón phù hợp cho lúa là 80kg N/ha, cần được khuyến cáo để nông dân áp dụng nhằm giảm chi phí phân bón và giảm tác động môi trường.

2. Những kết quả mới của luận án:

Luận án đã cho thấy việc bón các dạng phân đạm mới như urê-nBTPT, NPK viên nén, IBDU đã làm giảm phát thải khí N₂O so với bón urê thường. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong khuyến cáo nông dân bón các dạng phân đạm mới, có hiệu quả làm giảm phát thải khí nhà kính từ canh tác lúa, góp phần làm giảm ảnh hưởng của canh tác nông nghiệp ở Đồng bằng sông Cửu Long đến biến đổi khí hậu.

Luận án cũng cho thấy kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên đã không làm tăng phát thải khí N₂O so với tưới ngập theo nông dân và có hiệu quả làm tăng năng suất lúa. Đây cũng là một đóng góp mới làm cơ sở cho khuyến cáo áp dụng biện pháp tưới khô ngập luân phiên góp phần tăng năng suất lúa, tiết kiệm nước tưới và điều quan trọng là biện pháp này không gây tác hại làm tăng phát thải N₂O nên có ý nghĩa quan trọng trong bảo vệ môi trường, cần được khuyến cáo cho nông dân áp dụng trong canh tác lúa ở ĐBSCL.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy trong điều kiện đất có pH = 4,5, bón phân khi ruộng có nước và pH nước ruộng đạt ≤ 7, lượng NH₃ bốc thoát của phân urê đạt thấp nên đạt tương đương với bón các dạng phân đạm mới. Bên cạnh đó, việc bón vãi phân urê và urê-nBTPT trên bề mặt ruộng đã gây ra sự tích lũy NH₄⁺ cao trong nước ruộng vào những ngày đầu sau khi bón, điều này có thể dẫn đến sự mất đạm do rửa trôi, bốc thoát NH₃. Trong khi đó bón vùi sâu phân NPK viên nén đã tạo nên sự tích lũy cao lượng NH₄⁺ trong đất ở độ sâu 10 cm, do đó cây lúa có thể thu hút đạm hiệu quả trong suốt vụ, mặc dù phân NPK viên nén được vùi sâu một lần vào 10 ngày sau khi sạ lúa.

Năng suất lúa đạt cao ở lượng bón 80 kgN/ha, tương đương bón 100 kgN/ha trong vụ đông xuân và vụ hè thu trên đất phèn tiềm tàng và đất phù sa ven sông Cửu Long, nên một lần nữa khẳng định liều lượng bón phù hợp cho lúa là 80 kgN/ha, cần được khuyến cáo để nông dân áp dụng nhằm giảm chi phí phân bón và giảm các tác hại môi trường.

Bón phân urê-nBTPT hay NPK viên nén có hiệu quả hấp thu đạm trong cây lúa gia tăng hơn so với bón phân urê, tuy nhiên chưa thấy được hiệu quả rõ làm tăng năng suất lúa. Đối với dạng phân NPK viên nén mặc dù bón vùi một lần sau khi sạ, nhưng vẫn không làm giảm năng suất cho thấy triển vọng của dạng phân bón này nếu việc vùi phân sâu được cơ giới hóa.

Bón các dạng phân đạm mới tuy chưa làm tăng năng suất lúa nhưng làm tăng hấp thu đạm trong cây, giảm phát thải khí N₂O, do đó cần được khuyến cáo cho nông dân sử dụng.

3. Các ứng dụng trong thực tiễn.

Luận án cung cấp những thông tin khoa học về sự phát thải khí N₂O trên đất lúa cho thấy các dạng phân đạm mới như urê-nBTPT, NPK viên nén và NPK IBDU có ý nghĩa trong việc giảm phát thải khí nhà kính cần được khuyến cáo đưa vào sử dụng trong nông nghiệp nhằm giảm thiểu các tác động môi trường.

Kỹ thuật tưới khô ngập luân phiên góp phần tăng năng suất nhưng không tăng lượng N₂O phát thải cần được khuyến cáo cho nông dân áp dụng kết hợp với các dạng đạm mới nhằm tiết kiệm nước tưới tăng hiệu quả sử dụng phân bón. Các biện pháp này góp phần tăng hiệu quả kinh tế và cũng nhằm ứng phó với tình hình khan hiếm nước như hiện nay ở Đồng Bằng Sông Cửu Long.

Lượng NH₄⁺ trong nước tăng sau các đợt bón vãi phân urê và urê-nBTPT kéo theo lượng đạm mất do bốc thoát NH₃tăng. Do đó, cần tiếp tục có các biện pháp cải tiến trong sản xuất phân bón, phương pháp bón phân kết hợp với các biện pháp quản lý dưỡng chất và các biện pháp canh tác để tăng hiệu quả sử dụng phân bón và giảm sự phát thải trực tiếp và gián tiếp khí nhà kính.

1. Brief content of thesis

The research was conducted to investigate effects of different nitrogen fertilizers including: urea, urea-nBTPT [N-(n-butyl) thiophosphoric triamide], NPK briquette and NPK IBDU (Isobutylidene diurea) on nitrous oxide emission, ammonia volatilization and rice yield in rice cultivation in the Mekong Delta.

Research 1: Investigating the dissolve and hydrolysis of nitrogen fertilizer types in laboratory conditions. The results showed that effect of urease inhibitor amend in urea-nBTPT fertilizer was rather lower than in urea fertilizer. This rate in IBDU fertilizer was also very low (17,3%) following 3-month incubation due to IBDU having 90% of the N in water-insoluble form.

Research 2: Investigating the concentration of nitrogen in soil and in floodwater following nitrogen fertilizer application. The findings showed that concentration of NH₄⁺-N in floodwater and in soil (0 - 3 mm from surface) tended to be higher in broadcast application prill urea treatment and urea-nBTPT treatment during the initial 1 to 3 DAF and gradually decreased then. Meanwhile, the concentrations of NH₄⁺-N in floodwater and in 0-3 mm soil of NPK briquette treatment were low and remained during the stage of the survey. Deep placement of NPK briquette had higher NH₄⁺-N at the depth of 5 cm and 10 cm.

Research 3: Research on nitrous oxide emission and ammonia volatilization in rice cultivation

(1) Effects of nitrogen fertilizer types and alternate wetting and drying irrigation (AWD) on nitrous oxide emission and rice yield in rice cultivation. The results showed that cumulative N₂O emissions of urea-nBTPT, NPK briquette or NPK IBDU treatments (1.67, 1.47 or 1.29 kgN₂O.ha^-1, respectively) were significantly lower than that of urea treatment (2.47 kgN₂O.ha^-1). Meanwhile, cumulative N₂O emissions of AWD irrigation (1.77 kgN₂O.ha^-1) were not significantly higher than those of FP irrigation (1.69 kgN₂O.ha^-1). Besides, rice yield in AWD treatment (4.71 t.ha^-1) was higher than that in FP treatment (4.31 t.ha^-1). Similarity, both total N in straw and in grain and recovery efficiency in AWD treatment was had higher than that in FP treatment.

(2) Impacts of nitrogen fertilizer types on ammonia volatilization after N application (1, 3, 5 and 7 days after fertilization - DAF) in the rice field. The findings indicated that cumulative NH₃ volatilizations were rather low (3.14% - 5.94%). High NH₄⁺ concentration in floodwater after top-dressing application of urea and urea-nBTPT enhanced NH₃volatilization. This study also revealed the low NH₃ volatilization of urea treatment was rather low in potential acid sulfate soil (pH = 4.5), the application of N fertilizer in the presence of water and floodwater pH ≤ 7.

Research 4: Effects of different nitrogen fertilizers on rice yield and nitrogen use efficiency. The findings showed that application of urea-nBTPT and NPK briquette at the rate of 80 kgN.ha^-1 did not increase rice yields (5.80 t.ha^-1 and 5.77 t.ha^-1, respectively) compared to urea treatment (5.17 t.ha^-1) but they were higher than those of urea treatment at the rate of 100 kgN.ha^-1 (4.83 t.ha^-1). Besides, plant and grain N uptake were significantly higher in nBTPT-treated urea (0.69% and 1.14%) and NPK briquette (0.68% and 1.15%) than in urea (0.63% and 1.08%) at the rate of 80 
kgN.ha^-1.  Rice yields in 3 seasons were high at the rate of 80 kgN.ha^-1 equivalent to this of 100 kgN.ha^-1 on potential acid sulfate soil and alluvial soil in the Mekong Delta. Therefore, the rate of 80 kgN.ha^-1 was recommended to reduce both fertilizer costs and environmental impact.

2. New findings of thesis

The study showed that application of new nitrogen fertilizer types such as urea-nBTPT, NPK briquette and NPK IBDU decreased significantly N₂O emission compared to urea. These are important implications for farmers in applying new nitrogen fertilizers that aim to effectively reduce greenhouse gas emissions from rice cultivation in the Mekong Delta, contribute to the effort in reducing the impact of climate change.

The result also showed that alternate wetting and drying irrigation increased rice yield and nitrogen recovery efficiency compared to farmers' irrigation practice, and reduced N₂O emissions when new fertilizer types were applied. This is new and significant findings in recommending farmers in the Mekong Delta to apply AWD technique in rice cultivation for increasing rice yield and saving irrigation water to cope with water scarcity in the area.

Furthermore, the study result indicated that in potential acid sulfate soil with soil pH = 4.5, the application of N fertilizer in the presence of water and floodwater 
pH ≤ 7, therefore the ammonia volatilization of urea treatment was rather low. The research also found out that high ammonium concentration in floodwater after broadcasting urea and urea-nBTPT enhanced NH₃ volatilization flux compared to NPK NPK briquette and NPK IBDU treatments. This could lead to N loss by N leaching and NH₃volatilization. High NH₄⁺ concentration in 10 cm soil depth in NPK briquette deep placement treatments was found. Therefore, rice plants could uptake nitrogen effectively throughout the season, although NPK briquettes were deep placed once at 10 days after sowing.

Last but not least, rice yields were high at the rate of 80 kgN.ha^-1 equivalent to this of 100 kgN.ha^-1 in Winter-Spring and Summer-Autumn season on potential acid sulfate soil and alluvial soil in the Mekong Delta. Therefore the rate of 80 kgN.ha^-1 was recommended to reduce both fertilizer costs and environmental impact.

Application of urea-nBTPT or NPK briquette increased efficiency of N uptake in rice plants compared to urea application, but rice yield in these treatment was similar to urea application treatment. Rice yield in NPK briquette and NPK IBDU treatments was maintained although they were applied only one time at the beginning of the crop. Fertilizer deep placement can be an effective method if mechanization was applied in applying of fertilizer.

In conclusion, although the rice yield did not increase considerably, new nitrogen fertilizers contributed effectively to reduce N₂O emission and increase straw and grain N uptake so it should be recommended to farmers.

3. Application of research findings

The thesis provides scientific data on effects of different nitrogen fertilizers including: urea-nBTPT, NPK briquette and NPK IBDU on nitrous oxide emission. This is meaningful to recommend famers to apply new nitrogen fertilizers in order to minimize environmental impact.

AWD technique contributes to increase rice yields without increasing N₂O emissions. Famers should apply AWD irrigation combined with new nitrogen fertilizers to save irrigation water and increase nitrogen use efficiency. Therefore, this method increases economic efficiency and help cope with water scarcity in the area.

The concentration of ammonium in floodwater increases highly following broadcasting application urea and urea-nBTPT enhance ammonia volatilization. Therefore, it should continue improving the fertilizer production and application methods combined with both nutrient management and cultivation practices to increase fertilizer use efficiency but reduce direct and indirect green-house gases emissions.

>> Xem chi tiết nội dung luận án

 >> Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo.