Methane emissions from river sediment affected by dams: Study on Ba Lai river, Ben Tre province
- Graduate University of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology
- Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University
- Institute of Tropical Biology, Vietnam Academy of Science and Technology
- University of Science, VNU-HCM
- Ho Chi Minh city Pedagogical University
- Phan Thiet University
- Institute of Fundamental and Applied Sciences, Duy Tan University
- Faculty of Information Technology, Duy Tan University
Abstract
The phenomenon of greenhouse gas emissions from sediments of water bodies with dams and reservoirs has been recorded from many parts of the world. Even though Vietnam is a country with having many dams and reservoirs, this issue has not been fully studied, despite the fact that greenhouse emissions are potentially dangerous to the environment and ecosystems. This study analyzed sediment samples from Ba Lai River in Ben Tre province during the rainy season of 2019. The objectives of the present study are: (i) analyzing methane content emitted from river sediments, (ii) analyzing the relationship between methane content and Ba Lai River environmental parameters, (iii) comparing methane content in the Ba Lai River sediments with other dammed waters in the world. The results of the present study showed that the amount of methane (ppm) emissions is quite high, which varied from 117 ± 2.01 to 8073 ± 251.57. The sampling stations in the upstream of the dam showed higher emission of greenhouse gases than the stations located in the downstream. The pH of the sediments was negatively correlated with the emitted CH4 content (r = -0.83, p-value = 0.0001). The results obtained from the present study provided the first scientific information on the methane content formed in the dam conditions in order to assess the potential long-term impacts of the Ba Lai dam on greenhouse gas emissions.
MỞ ĐẦU
Khí methane (CH) là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ trong các trầm tích1. thông qua quá trình methane hóa nhờ hoạt động của nhóm vi sinh vật có tên là Achaea2. Quá trình methane hóa diễn ra đa dạng trong các môi trường sống kỵ khí, ví dụ như nước biển, nước ngọt, đầm lầy, đất ngập nước.
Trong đất ngập nước, các bọt khí CH có thể hình thành nếu lượng CH có nhiều hơn lượng hòa tan tối đa của khí này trong nước. Khi các bọt khí CH được hình thành trong trầm tích và được giữ giữa các lớp trầm tích. Khi yếu tố môi trường thay đổi hoặc hoạt động của con người có thể làm chúng thoát khỏi trầm tích. Ở vùng nhiệt đới, quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ chứa cacbon trong các thủy vực, hồ chứa diễn ra nhanh hơn so vùng ôn đới vì nền nhiệt hàng năm cao, do vậy hàm lượng CH ở các hồ chứa vùng nhiệt đới cao hơn vùng ôn đới3. Trong môi trường đất ngập nước ở điều kiện tù đọng, khí này chiếm tới 79% khí phát thải4, 5.
Thực tế, lượng phát thải khí CH toàn cầu thấp hơn nhiều so với phát thải khí cacbonic (CO) nhưng CH có khả năng gây hiệu ứng nhà kính gấp 20 lần CO6. Một số nguồn phát thải chính của khí CH như nông nghiệp, xử lý chất thải, đốt nhiên liệu, và đập chắn-hồ chứa (ĐCHC)7. Vào đầu những năm 1990, các ĐCHC đã được phát hiện là nơi phát thải khí nhà kính (KNK) tiềm năng8, 9. Tác giả Louis và cộng sự năm 2000 ước tính tổng số khí CH phát thải từ các ĐCHC khoảng 70 triệu tấn/năm3. Trong khi, Barros và cộng sự năm 2011 cho rằng ĐCHC chỉ phát thải CH khoảng 4 triệu tấn/năm10. Gần đây, nghiên cứu của Deemer và cộng sự năm 2016 ước tính tổng số khí CH phát thải từ các ĐCHC khoảng 13,3 triệu tấn/năm11. Do số lượng ĐCHC là rất lớn, hơn nữa điều kiện và đặc điểm tự nhiên của chúng khác nhau, dẫn đến sự không chắc chắn trong việc định lượng KNK phát thải từ các hồ chứa12. Cho nên, hiện nay còn rất thiếu thông tin về phát thải KNK từ các ĐCHC, đặc biệt là vùng nhiệt đới, nơi có tốc độ phân hủy hữu cơ cao.
Sông Ba Lai là nhánh rẽ của sông Tiền (thuộc hệ thống sông Mêkông), đây là một trong những con sông lớn của tỉnh Bến Tre. Sông có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế-xã hội, cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt của tỉnh Bến Tre, góp vai trò quan trọng việc điều hòa, và cải thiện khí hậu trong vùng13. Hệ thống sông Ba Lai có cống đập Ba Lai ngăn dòng chính, chống xâm nhập mặn, bảo vệ vùng đất phần trung và thượng nguồn không bị mặn hóa do triều cường. Mặt khác, đập Ba Lai là một đập lớn chặn dòng chính cửa sông thuộc Đồng bằng sông Cửu Long, tạo nên hồ chứa tích lũy lượng lớn vật chất hữu cơ, hình thành một bể chứa phát thải khí CH lớn của Đồng bằng sông Cửu Long. Do vậy, hồ chứa từ đập Ba Lai là đối tượng rất thích hợp để nghiên cứu lượng phát thải khí CH từ trầm tích thuỷ vực chịu ảnh hưởng của đập chắn.
Từ các vấn đề trên, nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu (i) phân tích hàm lượng khí CH phát ra trong trầm tích sông, (ii) phân tích mối liên hệ giữa phát thải khí CH và các điều kiện môi trường sông Ba Lai, (iii) so sánh lượng phát thải khí CH ở trầm tích sông Ba Lai với các thủy vực có đập chắn khác trên thế giới. Việc nghiên cứu về định lượng phát thải KNK trong trầm tích thuỷ vực chịu ảnh hưởng của ĐCHC có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao trong việc quản lý, vận hành, và quy hoạch số lượng lớn ĐCHC ở Việt Nam.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Khu vực và thời gian khảo sát
Nghiên cứu tiến hành đo đạc và thu mẫu trầm tích tại 16 vị trí ở vùng triều của sông Ba Lai, tỉnh Bến Tre theo thứ tự từ cửa biển lên thượng nguồn, ký hiệu từ G1 đến G16 (Figure 1, Table 1). Nghiên cứu được thực hiện trong tháng 10/2019, tương ứng với mùa mưa ở miền Nam Việt Nam.
Bản đồ vị trí thu mẫu trên sông Ba Lai, tỉnh Bến Tre
Toạ độ các vị trí thu mẫu trên sông Ba Lai
|
KHM |
Toạ độ |
KHM |
Toạ độ | ||
|
Vĩ độ |
Kinh độ |
Vĩ độ |
Kinh độ | ||
|
G1 |
10°02'29.1"N |
106°40'49.4"E |
G9 |
10°16'40.5"N |
106°24'44.2"E |
|
G2 |
10°06'12.7"N |
106°40'24.7"E |
G10 |
10°17'19.8"N |
106°23'13.4"E |
|
G3 |
10°08'32.5"N |
106°37'52.0"E |
G11 |
10°17'37.8"N |
106°21'22.2"E |
|
G4 |
10°08'32.8"N |
106°37'51.5"E |
G12 |
10°18'18.9"N |
106°19'44.7"E |
|
G5 |
10°10'17.7"N |
106°36'48.6"E |
G13 |
10°18'12.7"N |
106°17'20.0"E |
|
G6 |
10°13'01.3"N |
106°31'18.3"E |
G 4 |
10°18'00.4"N |
106°15'27.6"E |
|
G7 |
10°15'42.8"N |
106°26'45.8"E |
G15 |
10°17'30.5"N |
106°12'40.8"E |
|
G8 |
10°16'01.3"N |
106°26'12.6"E |
G16 |
10°17'59.7"N |
106°11'28.6"E |
Phương pháp nghiên cứu khí methane và các yếu tố môi trường trầm tích sông Ba Lai
Các thông số cơ bản của trầm tích như thế oxy hóa khử (ORP, Oxidation-Reduction Potential, mV), nhiệt độ (⁰C), và pH được khảo sát tại hiện trường. Khí CH được thu trong trầm tích ở độ sâu 10cm bằng ống core thép, mẫu được giữ nguyên không xáo trộn cấu trúc mẫu; sau đó sử dụng ống xilanh nhựa (12ml/cc) chuyển lượng mẫu bùn đáy vào ống vial thủy tinh (40ml) có chứa 5 ml dung dịch NaOH 0,1M; tiến hành đậy kín nắp septa của ống vial, lắc đều mẫu để cho dung dịch NaOH phân tán đều trong lớp bùn. Phân tích hàm lượng khí CH (ppm) trong mẫu trầm tích tại hòng thí nghiệm Hoá phân tích, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP.HCM. Mẫu trầm tích được rã đông trong tủ mát ở nhiệt độ 16C. Hút trực tiếp một thể tích khí chính xác (50µl) trong ống vial thủy tinh, phân tích bằng phương pháp GC-FID (Gas Chromatography – Flame Ionization Detector)14.
Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được xử lý và trực quan hóa bằng phần mềm Microsoft Excel 2019. Phân tích Shapiro-Wilk và Levene’s dùng để kiểm tra phân phối chuẩn (normal distributions) và tính đồng nhất trong phương sai (homogeneity of variances) (p > 0.05). Mối liên hệ giữa CH và các thông số môi trường trầm tích được phân tích bằng tương quan Pearson. Phương trình hồi quy được thiết lập để mô tả mối liên hệ giữa khí CH (biến phụ thuộc) và các thông số môi trường (các biến độc lập) như ORP, nhiệt độ, và pH. Lựa chọn mô hình theo 2 tiêu chí (i) giá trị R cao nhất và (ii) mô hình có ý nghĩa thống kê (p-model < 0,05)15. Các phân tích được thực hiện bằng phần mềm Statgraphics Centurion 18 ver. 18.1.12.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Đặc điểm môi trường và hàm lượng khí methane trong trầm tích sông Ba Lai
Kết quả phân tích cho thấy ORP (mV) trong trầm tích dao động từ -419,9 (G4) đến -152,0 mV (G12), pH từ 6,34 (G4) đến 7,42 (G2). Chỉ số ORP và pH có xu hướng biến đổi ngược nhau giữa trong và ngoài đập. Ngoài đập có ORP thấp nhưng pH cao (pH > 7), trong đập ngược lại, có ORP cao nhưng pH thấp (hầu hết các vị trí thể hiện tính acid nhẹ, pH < 7). Tuy nhiên, vị trí ngay đập Ba Lai phía thượng nguồn (G4) ghi nhận giá trị ORP và pH thấp nhất. Ngoài ra, một số vị trí bên trong đập như G7, G12, G14 và G16 đều ghi nhận giá trị pH rất thấp, tương ứng đạt 6,49; 6,47; 6,52, và 6,79 (Figure 2A, C). Nhiệt độ không có sự biến động lớn giữa các vị trí khảo sát, dao động từ 29,1 (G11) đến 32,1 C (G3) (Figure 2B).
Hàm lượng khí CH trong trầm tích tại vị trí G4 cao vượt trội so với các vị trí khác, đạt đến 8.073 ppm. Ngoài ra, một số vị trí trong đập Ba Lai như G6, G12, G14, G16 cũng ghi nhận hàm lượng khí khá cao, tương ứng đạt 4.498; 6,472; 5,235 và 3,911 ppm. Nhìn chung, các vị trí ngoài đập có hàm lượng khí thấp hơn trong đập, vị trí ngay đập Ba Lai (G4) cần phải đặc biệt lưu ý vì hàm lượng khí CH tích lũy trong trầm tích khá cao (Figure 2D). Điều này có thể giải thích vì vị trí này là nơi tập trung và tích lũy lượng lớn chất hữu cơ của cả dòng sông (đặc biệt là thực vật đang phân hủy) nên hàm lượng khí trong trầm tích cao hơn các vị trí còn lại (Figure 3).
Đặc điểm môi trường và hàm lượng methane trong trầm tích sông Ba Lai. (A) ORP, (B) nhiệt độ, (C) pH, (D) CH4
Tích lũy hữu cơ bên trong chân đập Ba Lai (G4)
Mối liên hệ giữa hàm lượng khí methane và các đặc điểm môi trường trầm tích
Kết quả phân tích tương quan Pearson (n = 16) giữa hàm lượng khí CH và các đặc điểm môi trường trầm tích sông Ba Lai cho thấy pH có tương quan nghịch ý nghĩa thống kê với hàm lượng khí CH (r = -0,83, p-value = 0,0001). Chứng tỏ, pH và CH có mối quan hệ khá chặt chẽ, cụ thể khi độ pH giảm thì hàm lượng khí CH trong trầm tích tăng.
Mặt khác, pH và CH có mối liện hệ tương quan thông qua phương trình hồi quy dạng Reciprocal-X model: CH = -38,589,6 + 286,626/pH. Mô hình giải thích được 71,12% phương sai của CH (R= 71,12%), p-value của mô hình là 0,0001 (<0,05), chứng tỏ mô hình có ý nghĩa thống kê ở độ tin cậy 95% (Sum of Squares = 5,06E7; Mean absolute error = 897,35). Lược đồ minh họa mô hình hồi quy giữa CH và pH được thể hiện trong Figure 4.
Mô hình hồi quy giữa CH4 và pH với khoảng tin cậy 95%
Các nghiên cứu trên thế giới chỉ ra các yếu tố môi trường trầm tích ảnh hưởng đến việc phát thải khí nhà kính như: lượng chất hữu cơ tích lũy trong trầm tích16, 17 điều kiện thủy chế18, 19, nhiệt độ20 và ảnh hưởng của các tác nhân sinh học21, 22. Trong đó, pH được xem như yếu tố quan trọng, chi phối đến quá trình phân hủy vật chất, tạo khí CH. Thực chất, pH đóng vai trò quan trọng bởi chính pH ảnh hưởng rất mạnh đến nhóm vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ tạo CH (methane-oxidizing bacteria, MOB)23, 24. Nhóm nghiên cứu của Gubry-Rangin và cộng sự năm 2011 đã khẳng định pH chi phối đến phân bố và các hoạt động sinh hóa của nhóm MOB mạnh hơn các yếu tố môi trường khác25. Điều này tiếp tục được khẳng định qua nghiên cứu của tác giả Aigle và cộng sự năm 201926. Nghiên cứu cho thấy nhóm gamma-MOB chiếm ưu thế ở thủy vực có pH trung tính-kiềm27, 28, 29, trong khi nhóm alpha-MOB lại xuất hiện nhiều ở thủy vực có pH acid27, 30, 31, 32, 33. Tác giả Zhao và cộng sự năm 2020 ghi nhận nhóm Methylocystis (thuộc alpha-MOB) thường ưu thế trong trầm tích có pH thấp (5,44 – 6,10), trong khi nhóm Methylobacter hoặc Methylosarcina (gamma MOB) ưu thế ở môi trường có pH cao (7,02–8,02)34.
Quá trình phân hủy chất hữu cơ tạo CH thường xảy ra ở dãy pH từ 6 – 8, nếu pH < 5,5 quá trình này có thể bị ức chế35. Nhìn chung, pH ở mức trung tính, quá trình phân hủy diễn ra mạnh mẽ hơn so với môi trường acid36, 37. Giá trị pH trong trầm tích sông Ba Lai từ acid nhẹ đến trung tính, đây là môi trường thuận lợi cho quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ tạo CH. Ở một số vị trí như G4, G12, G14, G16 có pH thấp nhưng hàm lượng khí CH cao, điều này được giải thích là những vị trí này có tích lũy hữu cơ đạt mức cao nên quá trình phân hủy tạo khí diễn ra mạnh mẽ. Quá trình này diễn ra với mức độ cao sẽ làm giảm pH trong trầm tích38 nên pH tại đây bị giảm xuống mức acid nhẹ.
So sánh hàm lượng khí methane ở trầm tích sông Ba Lai với các thủy vực có đập chắn khác trên thế giới
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu định lượng phát thải khí CH từ ĐCHC, tuy nhiên phần lớn các nghiên cứu nói trên được thực hiện ở hồ chứa từ đập thủy điện, rất ít nghiên cứu cho hồ đập thủy lợi. Cho nên, việc so sánh hàm lượng khí CH ở trầm tích sông Ba Lai với các thủy vực nói trên là rất khó khăn. Tuy nhiên, xét về phát thải khí CH nói chung thì sông Ba Lai phát thải nhiều hơn ở hồ Funil, Santo Antônio, và Três Marias ở Brazil39; tuy nhiên, một số hồ ở Phần Lan ghi nhận phát thải khí CH từ trầm tích cao hơn sông Ba Lai40 (Table 2).
So sánh lượng phát thải khí CH4 (ppm) trong trầm tích sông Ba Lai với các thủy vực có đập chắn khác trên thế giới
|
Thủy vực |
Hàm lượng CH4 |
Đặc điểm |
Tham khảo |
|
Sông Ba Lai |
117 – 8.073 |
Hồ đập thủy lợi |
Nghiên cứu này |
|
Hồ Funil, Brazil |
1,58 - 21,93 |
Hồ đập thủy điện |
|
|
Hồ Santo Antônio, Brazil |
1,52 - 6.353 |
Hồ đập thủy điện | |
|
Hồ Três Marias, Brazil |
1,21 - 6,80 |
Hồ đập thủy điện | |
|
Một số hồ ở Phần Lan |
17 - 51.000 |
Hồ đập thủy điện |
|
Vấn đề hình thành khí methane trong điều kiện hồ chứa
Việt Nam là quốc gia có rất nhiều ĐCHC phục vụ hai mục đích chính là thủy điện và thủy lợi. Từ năm 1945 – 2015, ở Việt Nam có 6.886 hồ đập lớn nhỏ41. Theo thống kê mới nhất từ Chương trình hành động thích ứng với Biến đổi khí hậu ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn thì cả nước có 8,521 đập dâng, bao gồm: 35 đập cao lớn hơn 50m (32 thủy điện, 3 thủy lợi), 605 công trình từ 15m - 50m (54 thủy điện, 441 thủy lợi) và trên 6.000 đập cao dưới 15 m. Theo số liệu từ Hiệp hội đập lớn Quốc tế thì Việt Nam có số lượng đập lớn (>15m) xếp thứ 50 trong tổng số 95 quốc gia thành viên42.
Đối với khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, các hồ đập chủ yếu phục vụ cho việc tưới tiêu, ngăn mặn, phục vụ sinh hoạt, điều tiết lũ. Do đặc điểm về địa hình nên vùng đồng bằng sông Cửu Long không có đập phục vụ cho mục đích thủy điện. Theo Quy hoạch tổng thể thuỷ lợi đồng bằng sông Cửu Long trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng của Thủ tướng Chính phủ thì toàn vùng hiện có trên 80 cống rộng trên 5 m (lớn nhất là cống - đập Láng Thé 100 m và cống - đập Ba Lai 84 m), trên 800 cống rộng 2-4 m và hàng vạn cống, bọng nhỏ, trên 1.000 trạm bơm điện lớn và vừa, hàng vạn máy bơm nhỏ để chủ động tưới tiêu. Với số lượng khá lớn ở trên, nguy cơ phát thải khí nhà kính từ các ĐCHC này là rất hiện hữu. Nghiên cứu này bước đầu ghi nhận lượng phát thải khí CH từ trầm tích sông Ba Lai, là thủy vực điển hình đang chịu ảnh hưởng của đập chắn ở Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng và Việt Nam nói chung.
KẾT LUẬN
Nghiên cứu cung cấp những thông tin đầu tiên về phát thải khí CH, gây hiệu ứng nhà kính từ trầm tích thủy vực chịu ảnh hưởng của đập trong điều kiện cụ thể của Việt Nam. Kết quả cho thấy trong điều kiện trầm tích bị tù đọng sẽ tiềm tàng khả năng phát thải cao khí CH vào môi trường. Thông số pH trong trầm tích tương quan nghịch với hàm lượng khí CH phát thải. Nghiên cứu trong tương lai cần làm rõ một số vấn đề sau: (i) hiện trạng phát thải các loại khí nhà kính từ các thủy vực có đập chắn ở Việt Nam, (ii) các yếu tố môi trường chi phối quá trình phát thải này, (iii) cách thức CH phát thải vào môi trường, (iv) ảnh hưởng của phát thải khí nhà kính lên sinh vật, nhất là thủy sinh vật. Giải đáp được những vấn đề trên góp phần quản lý và sử dụng bền vững ĐCHC ở Việt Nam.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 106.06-2019.51
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CH Khí methane (Methane)
ĐCHC: Đập chắn-hồ chứa
CO Khí cacbonic (Carbon dioxide)
MOB: Vi khuẩn oxy hóa methane (Methane-Oxidizing Bacteria)
KNK: Khí nhà kính
ORP: Thế oxy hóa khử (Oxidation-Reduction Potential)
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Các tác giả cam đoan rằng họ không có xung đột lợi ích.
ĐÓNG GÓP TÁC GIẢ
Sự đóng góp của tất cả tác giả là bình đẳng trong việc lựa chọn dữ liệu, phân tích kết quả và viết bản thảo.