Ảnh hưởng của quá trình phân hủy carbon trong đất đến các mô hình khí hậu

Theo nghiên cứu mới do các nhà sinh thái học thuộc Đại học bang Iowa, quá trình phân hủy carbon hữu cơ trong đất thay đổi đáng kể và theo từng vùng, một phần do các yếu tố như khoáng chất trong đất và đặc tính vi sinh vật, những yếu tố này chưa được chú trọng đầy đủ trong các mô hình carbon dùng để dự báo biến đổi khí hậu. Nguồn: Bo Yi.

Đất lưu trữ nhiều carbon hơn cả khí quyển và thực vật cộng lại, khiến tốc độ phân hủy carbon trong đất trở thành một biến số quan trọng trong các mô hình được sử dụng để dự đoán những thay đổi về khí hậu.

Một nghiên cứu mới của một nhóm gồm bốn nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Iowa đã phát hiện ra rằng ngay cả trong điều kiện phòng thí nghiệm đồng nhất, tốc độ phân hủy carbon hữu cơ trong các mẫu đất được thu thập trên khắp nước Mỹ vẫn khác nhau tới mười lần, một phần là do sự thay đổi về đặc tính khoáng chất và vi sinh vật trong đất - những yếu tố thường không được thể hiện đầy đủ trong các mô hình hệ thống Trái Đất hiện tại.

Chaoqun Lu cho biết: “Việc cập nhật các mô hình với sự hiểu biết sâu sắc hơn về khả năng phân hủy carbon hữu cơ trong đất - và lượng khí thải CO₂ thứ cấp của nó - có thể cải thiện độ chính xác của các ước tính phản hồi carbon trong đất trong các mô hình, dẫn đến các dự báo khí hậu chính xác hơn. Đối với các mô phỏng mô hình, chúng ta thường đơn giản hóa những biến thể này bằng cách giả định rằng carbon trong các loại đất hoặc trong các hệ sinh thái tương tự phân hủy với tốc độ cơ bản như nhau, nếu không có sự thay đổi môi trường nào. Tuy nhiên, phát hiện của chúng tôi cho thấy tốc độ cơ bản thực sự thay đổi rất nhiều, ngay cả trong cùng một loại đất hoặc hệ sinh thái. Vì vậy, điều này sẽ thực sự thay đổi một thực hành phổ biến”.

Tận dụng dữ liệu phòng thí nghiệm

Các nhà khoa học nghiên cứu về mô hình hệ thống Trái đất – những mô phỏng phức tạp ước tính tác động toàn cầu của các quá trình sinh học, địa hóa và vật lý đan xen – từ lâu đã biết rằng ước tính mô hình về sự phân hủy carbon trong đất có độ không chắc chắn lớn.

Với hy vọng định lượng tốt hơn những biến động này, các đồng nghiệp của Lu đã ủ các mẫu đất từ ​​20 địa điểm trong Mạng lưới Quan sát Sinh thái Quốc gia, một chương trình do liên bang tài trợ nhằm giám sát các hệ sinh thái trên khắp nước Mỹ. Trong khoảng thời gian 18 tháng, các nhà nghiên cứu đã đo lượng khí thải CO₂ và các đặc tính chính của đất để cung cấp thông tin cho mô hình carbon trong đất, ước tính tốc độ phân hủy của từng mẫu (tốc độ phân hủy chất hữu cơ) và hiệu quả sử dụng carbon (lượng carbon đã phân hủy được vi khuẩn hấp thụ).

Theo đồng tác giả nghiên cứu Bo Yi, phân tích có sự hỗ trợ của máy móc đã giúp chỉ ra loại phép đo nào trong số 26 loại phép đo được lấy từ các mẫu đất có liên quan mật thiết nhất đến sự biến đổi của quá trình phân hủy.

Một số yếu tố kiểm soát đã được xác định rõ, chẳng hạn như loại đất và mức độ pH và nitơ. Phân tích dữ liệu ủ cũng cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa tốc độ phân hủy và tốc độ phát triển của nấm cũng như một số dạng sắt và nhôm nhất định. Khoáng chất trong đất có liên quan mật thiết đến sự ổn định lâu dài của carbon hữu cơ liên kết với khoáng chất, phần carbon trong đất có thể tồn tại trong đất hàng chục năm hoặc thậm chí hàng trăm năm.

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các phép đo đất với ước tính tỷ lệ cơ sở để xây dựng các mô hình AI, giúp nắm bắt thành công sự biến đổi của các tỷ lệ này trên 156 mẫu đất. Sau đó, họ áp dụng mô hình này cho lục địa nước Mỹ, tạo ra các bản đồ dự báo hiệu quả sử dụng carbon và tốc độ phân hủy cho từng vùng đất riêng lẻ, mỗi bên khoảng 2,5 dặm. Các bản đồ cho thấy sự biến đổi lớn theo vùng về động lực học carbon trong đất trên khắp quốc gia.

Các mô hình không gian về khả năng phân hủy của carbon hữu cơ dạng hạt đất (POC) và carbon hữu cơ liên kết khoáng chất (MAOC) trên khắp nước Mỹ liền kề với độ phân giải biểu thị các ô vuông khoảng 2,5 dặm (4 km) mỗi cạnh. Tiêu chí về thời gian lưu trú (RT) thấp và cao cũng như hiệu quả sử dụng carbon (CUE) của POC và MAOC được đặt theo phân vị thứ 25 và 75 của tất cả các giá trị lưới. Các vùng màu trắng biểu thị các vùng nằm trong khoảng liên tứ phân vị (từ phân vị thứ 25 đến 75) về thời gian lưu trú hoặc hiệu quả sử dụng carbon, cho thấy khả năng phân hủy trung bình. Nguồn: Chaoqun Lu/Đại học Bang Iowa.

Lý giải các mô hình và cơ chế khuyến khích

Lu cho biết: “Các nhà khoa học làm việc với các mô hình carbon trong đất hoặc các mô hình hệ thống Trái đất để dự báo phản hồi carbon-khí hậu có thể sẽ sử dụng các bản đồ tham số cuối cùng của nghiên cứu để cải thiện các mô phỏng của họ. Các chỉ số địa hóa và vi sinh vật này tạo ra rất nhiều biến động và chúng ta chưa đưa chúng vào một cách đầy đủ trong các công việc mô hình hóa trước đây. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các mô hình nên tính đến cách các thành phần khác nhau của carbon trong đất phân hủy, vì carbon hữu cơ liên kết với khoáng chất tồn tại lâu hơn nhiều so với carbon dạng hạt - chủ yếu là chất hữu cơ có nguồn gốc thực vật trong đất phân hủy trong vài năm thay vì vài thế kỷ. Ngoài việc cải thiện mô hình hóa, nghiên cứu này cũng có thể cung cấp thông tin cho các chương trình bảo tồn và thị trường carbon bằng cách làm sáng tỏ sự khác biệt giữa các khu vực về tính dễ bị tổn thương của carbon trong đất. Ở Tây Nam, carbon hữu cơ trong đất có xu hướng phân hủy nhanh hơn và một khi bị phân hủy, một lượng lớn carbon đó sẽ được giải phóng vào khí quyển dưới dạng CO₂. Ở Tây Bắc và Đông, carbon trong đất phân hủy chậm hơn, và một lượng lớn carbon đã phân hủy cuối cùng được giữ lại trong đất dưới dạng sinh khối vi sinh vật. Phần lớn vùng Trung Tây nằm ở đâu đó giữa hai thái cực này. Những khác biệt đó cho thấy các động lực để tăng cường cô lập carbon trong đất nên xem xét đến tính bền vững của việc giữ lại carbon trong đất. Nếu carbon tồn tại trong đất lâu hơn ở một số khu vực nhất định, thì cùng một lượng carbon được cô lập ở đó có thể có giá trị hơn so với các khu vực khác".

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Bang Iowa.