Cacbon trong đất: Thành phần chính để tạo nên đất khỏe mạnh

Hình ảnh do AI tạo ra, được cung cấp bởi Adobe Stock/Gro.

• Cacbon trong đất rất cần thiết cho sức khỏe của đất vì nó cải thiện cấu trúc đất, thúc đẩy hoạt động của vi sinh vật, cải thiện độ phì nhiêu bằng cách cung cấp chất dinh dưỡng và tăng khả năng chống chịu với các áp lực môi trường.
• Hàm lượng cacbon trong đất thấp có thể dẫn đến xói mòn gia tăng, giảm đa dạng vi sinh vật và làm giảm đáng kể năng suất cây trồng.
• Các chiến lược cải thiện cacbon trong đất bao gồm sự kết hợp của nhiều biện pháp, chẳng hạn như bổ sung chất hữu cơ cải tạo đất, giảm cày xới, trồng cây che phủ, đa dạng hóa hệ thống canh tác và kết hợp chăn nuôi.

Cacbon đất (C) có thể không phải là thứ bạn nghĩ đến hàng ngày, nhưng nó là một anh hùng ẩn mình dưới chân bạn. Nó hình thành thông qua chu trình cacbon, nơi thực vật hấp thụ CO₂ trong quá trình quang hợp, sử dụng nó để xây dựng sinh khối và sản sinh đường qua rễ để nuôi vi sinh vật đất. Khi thực vật và vi sinh vật chết đi, chất hữu cơ của chúng phân hủy, góp phần tạo ra cacbon hữu cơ trong đất, trong khi hô hấp của vi sinh vật giải phóng CO₂ trở lại khí quyển, tạo ra một chu trình năng động lưu trữ và giải phóng cacbon. Trữ lượng cacbon đất là một phần quan trọng của chu trình cacbon toàn cầu. Nó bao gồm cacbon hữu cơ đất (SOC) và cacbon vô cơ đất (SIC) và là kho chứa lớn nhất của sinh quyển trên cạn (Hình 1; Lal và cộng sự, 2021).

Hình 1. Các thành phần của tổng lượng cacbon trong đất, được chuyển thể từ Lal và cộng sự (2021).

Cacbon đất được hình thành thông qua hai con đường chính: Cacbon vô cơ, phát sinh từ quá trình phong hóa đá hoặc phản ứng giữa khoáng chất trong đất và CO₂ và cacbon hữu cơ, bắt nguồn từ quá trình phân hủy tàn dư thực vật và động vật cũng như hoạt động của vi sinh vật. Trong khi cacbon vô cơ tồn tại chủ yếu dưới dạng khoáng chất cacbonat như canxit và dolomit, thì cacbon hữu cơ là dạng chiếm ưu thế và năng động nhất trong hầu hết các hệ sinh thái. Cacbon hữu cơ tạo thành xương sống của chất hữu cơ đất (SOM), rất quan trọng đối với sức khỏe của đất, cải thiện cấu trúc, khả năng giữ nước và khả năng cung cấp chất dinh dưỡng. Cacbon đất cũng đóng vai trò trung tâm trong các nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu vì nó có thể được lưu trữ hoặc cô lập thông qua các hoạt động như nông nghiệp. Tuy nhiên, cacbon đất vẫn luôn ở dạng động - những thay đổi trong quản lý có thể giải phóng cacbon đã lưu trữ, nghĩa là nó không bao giờ được cô lập vĩnh viễn.

Vai trò của cacbon đất đối với sức khỏe đất

Không chỉ đơn thuần là "bụi bẩn", cacbon trong đất còn là một yếu tố thiết yếu giúp đất khỏe mạnh và màu mỡ. Hàm lượng cacbon trong đất cao hơn, tương ứng với tỷ lệ chất hữu cơ trong đất cao hơn, là kết quả của quá trình phân hủy vật chất thực vật và động vật, cũng như các chất hữu cơ bổ sung như phân chuồng và phân trộn (compost) được đưa vào đất. Cacbon trong đất được công nhận là chỉ số được đo lường rộng rãi nhất về sức khỏe của đất và đóng vai trò trung tâm trong việc duy trì sức khỏe đất thông qua nhiều quá trình liên kết với nhau.

Xây dựng cấu trúc đất tốt hơn

Bạn đã bao giờ để ý thấy một số loại đất tơi xốp và dễ vỡ vụn trong khi một số khác lại cứng và vón cục chưa? Đó chính là cấu trúc đất. Đất bao gồm các hạt khoáng và thành phần hữu cơ được nén chặt thành các khối có kích thước khác nhau (gọi là cốt liệu) và được sắp xếp thành các cấu trúc xốp ba chiều.

Cacbon trong đất đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các cốt liệu nhỏ giúp tăng cường độ xốp của đất, cho phép không khí và nước lưu thông tự do trong đất. Ví dụ, đất được kết tụ tốt trong các trang trại hữu cơ thường có tốc độ thấm nước tốt hơn, giảm dòng chảy bề mặt và xói mòn đất. Cấu trúc đất chắc chắn cũng hỗ trợ rễ cây thâm nhập, tạo ra môi trường tối ưu cho cây trồng.

Đất cứng và vón cục (trái) so với đất tơi xốp và dễ vỡ (phải). Ảnh do USDA-NRCS Oregon (trái) và Texas (phải) cung cấp.

Thúc đẩy hoạt động của vi khuẩn

Cacbon đất hỗ trợ một loạt các sinh vật đất làm nguồn năng lượng, từ vi khuẩn có lợi đến nấm và giun đất. Một phân tích tổng hợp cho thấy cacbon hữu cơ trong đất tăng cường sự đa dạng vi sinh vật đất, chức năng vi sinh vật và năng suất cây trồng (Shu và cộng sự, 2022). Các vi sinh vật đất này phân hủy vật chất hữu cơ để giải phóng các chất dinh dưỡng vô cơ có sẵn cho cây trồng, làm thay đổi khả năng hấp thụ dinh dưỡng thông qua các quá trình oxy hóa, khử, hòa tan và tạo phức - tất cả đều góp phần tạo nên một hệ sinh thái đất khỏe mạnh và cân bằng hơn. Các quá trình này thúc đẩy chu trình dinh dưỡng toàn cầu và điều chỉnh khoảng 90% dòng năng lượng trong đất (Saccá và cộng sự, 2017).

Tăng cường độ phì nhiêu của đất

Cacbon đất đóng vai trò là kho dự trữ dinh dưỡng khổng lồ, được giải phóng dần dần thông qua hoạt động của hệ động vật và vi sinh vật đất. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các nguyên tố thiết yếu như nitơ (N), phốt pho (P) và lưu huỳnh (S) cho cây trồng. Bằng cách giữ các chất dinh dưỡng trong vùng rễ cây lâu hơn, cacbon đất làm tăng khả năng hấp thụ của chúng đối với cây trồng và giảm sự phụ thuộc vào phân bón tổng hợp. Ví dụ, trong đất giàu chất hữu cơ, nitơ được khoáng hóa bởi vi khuẩn và cung cấp cho cây trồng theo thời gian, làm giảm nhu cầu sử dụng phân bón tổng hợp. Bên cạnh đó, chất hữu cơ trong đất cũng làm tăng khả năng trao đổi cation của đất, do đó dẫn đến việc giữ lại nhiều hơn các ion dinh dưỡng tích điện dương như Ca, Mg, K, Fe, Zn và nhiều nguyên tố vi lượng khác.

Cải thiện khả năng phục hồi của đất

Đất có hàm lượng cacbon cao có khả năng chống chịu tốt hơn với các điều kiện bất lợi của môi trường như hạn chế dinh dưỡng, hạn hán, lũ lụt, nhiệt độ khắc nghiệt, độ mặn cao và ô nhiễm. Ví dụ, cacbon hữu cơ làm tăng khả năng giữ nước của đất, từ đó giảm thiểu tác động của hạn hán đến năng suất cây trồng (Kane và cộng sự, 2021; Qiao và cộng sự, 2022). Ở những vùng có thời tiết thất thường, cacbon trong đất hoạt động như một lớp đệm, hỗ trợ năng suất ổn định và thúc đẩy năng suất nông nghiệp lâu dài. Ngoài ra, vi sinh vật có lợi có thể cạnh tranh với các tác nhân gây bệnh có hại, giúp tăng cường sức khỏe cây trồng.

Hậu quả của việc đất thiếu cacbon

Sự mất mát cacbon trong đất ở các hệ sinh thái nông nghiệp đã làm suy giảm đáng kể chất lượng đất bằng cách thay đổi các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của nó. Các phương pháp canh tác thiển cận đã đẩy nhanh quá trình suy giảm này, dẫn đến mất cacbon đáng kể từ đất. Tại Liên minh Châu Âu, đất trồng trọt ước tính mất khoảng 7,4 triệu tấn cacbon mỗi năm. Tương tự, đất ở Hoa Kỳ đã mất khoảng 4 ± 1 gigaton (Gt) cacbon, trong khi tổng lượng cacbon đất toàn cầu bị mất ước tính là 78 ± 12 Gt (Lal và cộng sự, 2004). Khi nồng độ cacbon trong đất bị suy giảm, những tác động tiêu cực sau đây có thể phát sinh.

Đất kết dính kém (hình phải), thiếu độ kết dính, dẫn đến tăng dòng chảy bề mặt khi mưa lớn. Đất kết dính tốt (hình trái) sẽ dính chặt vào nhau. Ảnh: USDA của Lance Cheung.

Xói mòn

Hàm lượng cacbon hữu cơ thấp làm suy yếu cấu trúc đất, khiến đất dễ bị xói mòn bởi gió và nước. Đất kết cấu kém sẽ thiếu độ kết dính, dẫn đến tăng dòng chảy bề mặt khi mưa lớn. Ví dụ, ở những khu vực canh tác thâm canh và ít chất hữu cơ, lớp đất mặt dễ bị rửa trôi, làm giảm sức sản xuất của đất.

 Mất đi sự đa dạng của vi khuẩn

Sự khan hiếm cacbon trong đất làm giảm nguồn cung cấp thức ăn cho vi sinh vật, làm giảm hoạt động của vi sinh vật và đa dạng sinh học. Sự mất mát này làm suy yếu cơ chế phòng vệ tự nhiên của đất, làm tăng nguy cơ bị sâu bệnh tấn công. Ví dụ, trong đất bạc màu với lượng hữu cơ đầu vào tối thiểu, việc thiếu hụt các vi sinh vật có lợi như nấm rễ có thể khiến cây trồng dễ bị tổn thương trước các tác nhân gây bệnh rễ.

Mất năng suất cây trồng

Nếu không có đủ cacbon trong đất, chu trình dinh dưỡng sẽ chậm lại, dẫn đến giảm độ phì nhiêu của đất. Cây trồng khó tiếp cận các chất dinh dưỡng thiết yếu, dẫn đến còi cọc và cho năng suất thấp hơn. Ví dụ, đất thiếu cacbon có thể thiếu hoạt động của vi sinh vật cần thiết để chuyển đổi nitơ hữu cơ thành dạng dễ hấp thụ cho cây trồng, buộc nông dân phải phụ thuộc nhiều vào phân bón hóa học. Việc ưu tiên các chiến lược xây dựng và duy trì mức cacbon trong đất là điều cần thiết để tăng năng suất và thúc đẩy khả năng phục hồi trước biến đổi khí hậu.

Chiến lược cải thiện cacbon đất

Việc tăng cường SOC đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng và lập kế hoạch chiến lược để triển khai một loạt các phương pháp, thực hành và kỹ thuật quản lý đa dạng, từ đó mang lại những kết quả rõ ràng. Để tăng cường SOC, các chiến lược quản lý cần giảm thiểu các tác động như xói mòn, nén chặt và phơi nhiễm đất quá mức, đồng thời tối đa hóa lượng chất hữu cơ đầu vào. Thông thường, các thực hành riêng lẻ khi áp dụng riêng lẻ sẽ không đủ, trong khi một phương pháp tiếp cận tích hợp bao gồm nhiều chiến lược sẽ tạo điều kiện cho những cải thiện nhanh chóng và đáng kể hơn (Hình 2). Các chiến lược tiềm năng bao gồm, nhưng không giới hạn ở, những điều sau đây.

Hình 2.  Xây dựng cacbon hữu cơ cho đất là một quá trình gồm nhiều bước và đòi hỏi sự kết hợp của nhiều chiến thuật, chẳng hạn như (a) Trồng cây che phủ qua đông như lúa mạch đen và (b) Luân canh cây che phủ để đưa tàn dư thực vật vào đất. Các chiến lược quản lý giảm thiểu các tác động như xói mòn, nén chặt và phơi nhiễm đất quá mức, đồng thời tối đa hóa lượng chất hữu cơ đầu vào có thể dẫn đến (c) Cây trồng năng suất cao và đất khỏe mạnh (d và e).

Chất cải tạo đất

Các chất cải tạo đất, đặc biệt là các chất hữu cơ như phân chuồng và phân trộn (compost), đã được chứng minh là làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon trong đất, đặc biệt là ở những loại đất ban đầu có hàm lượng cacbon thấp. Sự gia tăng này là do chất hữu cơ trong các chất cải tạo này bị phân hủy và tích tụ vào đất.

Than sinh học, một dạng cacbon khó phân hủy hơn, cũng có thể được sử dụng làm chất cải tạo đất để tăng SOC. Than sinh học được tạo ra thông qua quá trình nhiệt phân sinh khối và có khả năng chống phân hủy cao. Điều này có nghĩa là than sinh học có thể tồn tại trong đất trong thời gian dài, có khả năng hỗ trợ quá trình cô lập cacbon và giảm phát thải khí nhà kính.

Điều quan trọng là phải lựa chọn đúng loại phân bón phù hợp với loại đất và mục tiêu quản lý cụ thể. Các loại phân bón hữu cơ như phân chuồng và phân trộn có thể nhanh chóng bổ sung cacbon cho đất, trong khi than sinh học có thể là giải pháp lâu dài hơn cho việc cô lập cacbon. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là những loại phân bón này thường phân phối lại cacbon trong đất thay vì tạo ra các kho dự trữ cacbon mới. Cacbon trong phân bón có thể được di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trong cấu trúc đất, nhưng tổng lượng cacbon trong đất không nhất thiết phải tăng lên. Ngoài ra, hiệu quả của các loại phân bón này có thể khác nhau tùy thuộc vào loại đất và độ sâu bón phân. Kết hợp với các biện pháp quản lý khác, phân bón hữu cơ có thể làm tăng hàm lượng cacbon trong đất, cải thiện năng suất và sức khỏe của đất.

Giảm canh tác

Giảm canh tác bằng cách áp dụng các biện pháp canh tác bảo tồn hoặc không cày xới có thể tăng cường cacbon trong đất và mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe đất và khả năng cô lập cacbon. Những lợi ích này bao gồm việc giảm hoặc loại bỏ canh tác vì canh tác có thể phá vỡ cấu trúc đất và đẩy nhanh quá trình phân hủy chất hữu cơ. Bằng cách giảm thiểu xáo trộn đất, canh tác không cày xới bảo tồn cấu trúc đất tự nhiên và đoàn lạp đất, vốn là những yếu tố thiết yếu để tạo ra một môi trường ổn định và tơi xốp. Những đoàn lạp này cung cấp nhiều vi môi trường sống cho các sinh vật đất có lợi, bao gồm vi khuẩn, nấm và các vi sinh vật khác, đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ và tuần hoàn chất dinh dưỡng.

Ngoài ra, việc giảm cày xới đất còn giúp giảm thiểu xói mòn đất, vốn có thể dẫn đến mất lớp đất mặt và chất hữu cơ quý giá. Bằng cách duy trì một lớp tàn dư thực vật bảo vệ trên bề mặt đất (ví dụ như gốc rạ ngô), phương pháp canh tác không cày xới giúp ngăn ngừa xói mòn do gió và nước, bảo tồn hàm lượng cacbon và độ phì nhiêu của đất. Hơn nữa, hàm lượng chất hữu cơ tăng lên trong các hệ thống canh tác không cày xới giúp cải thiện khả năng giữ nước và thẩm thấu của đất, giảm dòng chảy mặt và tăng cường khả năng chịu hạn của đất.

Canh tác không cày xới cũng thúc đẩy sự đa dạng vi sinh vật trong đất. Môi trường đất không bị xáo trộn cho phép hình thành các cộng đồng vi sinh vật phức tạp và đa dạng, rất cần thiết để duy trì sức khỏe đất và chức năng hệ sinh thái. Những vi sinh vật này đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, giải phóng chất dinh dưỡng và ức chế các mầm bệnh trong đất. Hoạt động của vi sinh vật tăng lên trong các hệ thống canh tác không cày xới góp phần tích tụ chất hữu cơ và cô lập cacbon trong đất.

Đo trực tiếp SOC thường bao gồm việc thu thập mẫu đất và phân tích chúng bằng phương pháp đốt khô. Ảnh: Kelsey Jensenn.

Cây che phủ

Một trong những lợi ích chính của cây che phủ là khả năng tăng cường SOC. Thông qua quá trình quang hợp, cây che phủ hấp thụ cacbon dioxide từ khí quyển và chuyển hóa thành chất hữu cơ, sau đó được lưu trữ trong đất. Quá trình này không chỉ giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu bằng cách cô lập cacbon mà còn cải thiện độ phì nhiêu của đất, khả năng giữ nước và khả năng phục hồi tổng thể của đất.

Cây che phủ đóng một vai trò chiến lược trong việc duy trì đất khỏe mạnh bằng cách cung cấp độ che phủ đất quanh năm. Độ che phủ liên tục này ngăn ngừa xói mòn đất, cải thiện cấu trúc và độ kết dính của đất, đồng thời tăng cường chu trình dinh dưỡng. Bằng cách bổ sung chất hữu cơ vào đất, cây che phủ tạo ra môi trường thuận lợi cho các sinh vật có lợi trong đất, chẳng hạn như giun đất và vi khuẩn, góp phần cải thiện sức khỏe của đất.

Việc lựa chọn loại cây che phủ đất rất quan trọng để tối đa hóa lợi ích của việc trồng cây che phủ đất. Cây họ đậu, chẳng hạn như cỏ ba lá và đậu tằm, có khả năng cố định nitơ khí quyển, cung cấp nitơ cho cây trồng. Các loài cây che phủ đất khác, chẳng hạn như cỏ và cải bắp, mang lại những lợi ích bổ sung, chẳng hạn như ức chế cỏ dại, kiểm soát sâu bệnh và làm thoáng đất.

Cây che phủ đất có thể được cắt bỏ bằng các biện pháp cơ học, chẳng hạn như cắt cỏ hoặc lăn, hoặc bằng các biện pháp hóa học, chẳng hạn như thuốc diệt cỏ. Thời điểm cắt bỏ cần được lên kế hoạch cẩn thận để tối ưu hóa việc giải phóng chất dinh dưỡng, giảm thiểu áp lực cỏ dại và đảm bảo sự phát triển thành công của cây trồng thương phẩm tiếp theo.

Mặc dù cây che phủ mang lại nhiều lợi ích, chúng cũng có thể gây ra một số thách thức trong quản lý. Ví dụ, một số cây che phủ có thể trở thành cỏ dại nếu không được quản lý đúng cách. Ngoài ra, chi phí hạt giống và thời gian trồng và thu hoạch có thể là rào cản đối với một số nông dân. Tuy nhiên, những thách thức này có thể được khắc phục thông qua việc lập kế hoạch cẩn thận, quản lý hợp lý và sử dụng các nguồn lực và chương trình hỗ trợ sẵn có.

Đa dạng hệ thống cây trồng

Quản lý đất và hệ thống cây trồng là rất quan trọng để tích lũy cacbon theo thời gian. Việc đa dạng hóa luân canh cây trồng tạo ra nhiều hệ thống rễ và tàn dư thực vật, giúp tăng cường chu trình dinh dưỡng, khả năng thấm nước và cấu trúc đất, thúc đẩy khả năng phục hồi lâu dài. Việc thúc đẩy sự đa dạng loài, tính phức tạp về cấu trúc và các loài cây có khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu cũng hỗ trợ việc lưu trữ SOC, đồng thời tránh những thay đổi trong sử dụng đất gây xáo trộn đất. Mặc dù một số xáo trộn, chẳng hạn như sự hình thành sẹo đất, có thể được sử dụng một cách chiến lược để tái tạo đất, nhưng mục tiêu bao trùm là bảo vệ trữ lượng cacbon hiện có và thúc đẩy sức khỏe đất lâu dài vì sự mất mát SOC diễn ra nhanh chóng nhưng lại chậm phục hồi.

Cây lâu năm, với bộ rễ ăn sâu hơn và mùa vụ kéo dài, giúp tăng cường lưu trữ cacbon trong đất hiệu quả hơn so với các hệ thống hàng năm, tăng trữ lượng cacbon từ 15–28% ở các đồng cỏ và lên đến 20% trên toàn cầu khi chuyển đổi từ cây hàng năm sang cây lâu năm. Khả năng cô lập cacbon sâu hơn trong cấu trúc đất khiến chúng trở thành một công cụ mạnh mẽ để lưu trữ cacbon lâu dài. Tuy nhiên, tốc độ cô lập cacbon trong đất có thể thay đổi tùy thuộc vào một số yếu tố, bao gồm khí hậu, loại đất và phương pháp quản lý. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng các hệ thống canh tác đa dạng và các biện pháp cải thiện sức khỏe đất, nông dân có thể tăng hàm lượng cacbon trong đất và cải thiện sức khỏe cũng như năng suất tổng thể của đất.

Phối hợp với chăn nuôi

Chăn nuôi có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sức khỏe đất bằng cách tăng cường chất hữu cơ trong đất. Phân chuồng và chất độn chuồng từ vật nuôi là những chất hữu cơ quý giá có thể được bổ sung vào đất để tăng hàm lượng chất hữu cơ. Việc lồng ghép chăn nuôi vào hệ thống canh tác cũng khuyến khích đa dạng hóa luân canh cây trồng bằng cách kết hợp đồng cỏ và cây che phủ. Sự đa dạng này bổ sung chất hữu cơ thông qua sự phát triển của rễ và phân hủy chất thải, đồng thời cải thiện cấu trúc đất và chu trình dinh dưỡng. Ngoài ra, việc chăn thả gia súc còn thúc đẩy sự phát triển của cây trồng và kích thích hoạt động của vi sinh vật, dẫn đến tăng lượng chất hữu cơ đầu vào. Nhìn chung, việc lồng ghép chăn nuôi vào hệ thống canh tác mang lại một phương pháp tiếp cận đa chiều để xây dựng chất hữu cơ cho đất và thúc đẩy các biện pháp canh tác nông nghiệp bền vững.

Chăn nuôi có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sức khỏe đất bằng cách tăng chất hữu cơ trong đất. Ảnh: Erick Santos.

Tăng hàm lượng SOC là rất quan trọng để cải thiện sức khỏe đất và sản lượng nông nghiệp, nhưng vẫn là một thách thức đối với người nông dân. Mức độ SOC được xác định bởi sự cân bằng giữa lượng cacbon đầu vào - chủ yếu từ tàn dư thực vật như rễ cây, lá cây hoặc chất cải tạo đất - và lượng cacbon bị mất đi thông qua thu hoạch hoặc phân hủy vi sinh vật. Những lựa chọn quản lý này cùng nhau giúp cân bằng cacbon theo hướng có lợi cho việc làm giàu đất. Tuy nhiên, việc xây dựng SOC là một quá trình dần dần, thường mất từ ba đến năm năm để cho thấy những thay đổi có thể đo lường được mặc dù mốc thời gian này có thể thay đổi tùy thuộc vào khí hậu, loại đất và điều kiện cảnh quan. Việc chú ý đến cacbon trong đất là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe đất, tăng cường độ phì nhiêu, khả năng giữ nước và khả năng phục hồi tổng thể, biến nó thành nền tảng của nông nghiệp tái tạo và các phương pháp canh tác bền vững. 

Định lượng cacbon hữu cơ trong đất: Phương pháp, ứng dụng và thách thức

Cacbon hữu cơ trong đất là một chỉ số quan trọng và được chấp nhận rộng rãi đối với sức khỏe đất, liên quan đến chu trình dinh dưỡng và dự trữ nước. Từ góc độ quản lý, cacbon hữu cơ thường là dạng cacbon đất quan trọng nhất vì nó chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các hoạt động nông nghiệp và là chỉ số chính về độ phì nhiêu của đất và tính bền vững lâu dài. Việc định lượng chính xác hàm lượng cacbon hữu cơ (SOC) trong đất nông nghiệp là rất cần thiết để cải thiện sức khỏe đất, tăng cường khả năng chống chịu với các tác nhân gây ức chế và hỗ trợ giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, đòi hỏi các phương pháp đo lường đáng tin cậy và linh hoạt để cung cấp thông tin cho các hoạt động quản lý và các quyết định chính sách (Paustian và cộng sự, 2017).

Việc đo lường và diễn giải SOC đặt ra những thách thức do SOC phản ứng chậm với những thay đổi trong quản lý và nhu cầu lấy mẫu đất sâu hơn và đo tỷ trọng để đánh giá chính xác trữ lượng cacbon. Đo lường trực tiếp SOC thường bao gồm việc thu thập các mẫu đất và phân tích chúng bằng phương pháp đốt khô, được coi là chuẩn mực để xác định nồng độ cacbon. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các chiến lược lấy mẫu hiệu quả hơn, chẳng hạn như các điểm chuẩn được tham chiếu địa lý, giúp giảm số lượng mẫu cần thiết mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Ngoài ra, các kỹ thuật quang phổ, như quang phổ cận hồng ngoại (NIRS), cung cấp các lựa chọn nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn để phân tích SOC mặc dù chúng cần được hiệu chuẩn cẩn thận. Nhiều phòng thí nghiệm có thể cung cấp dịch vụ định lượng SOC bên cạnh việc phân tích hóa học hoặc dinh dưỡng đất.

Đo trực tiếp SOC thường bao gồm việc thu thập các mẫu đất và phân tích chúng bằng phương pháp đốt khô. Ảnh: Kelsey Jensen.

Các mô hình dựa trên quy trình, chẳng hạn như Mô hình Cacbon Rothamsted (RothC) và Mô hình Khử Nitrat Hóa-Phân Hủy (DNDC), cung cấp thông tin hữu ích về động lực học SOC bằng cách mô phỏng cách các hoạt động quản lý và điều kiện môi trường khác nhau ảnh hưởng đến trữ lượng cacbon theo thời gian. Các mô hình này đặc biệt hữu ích cho các đánh giá quy mô lớn và các chương trình bù đắp cacbon mà việc đo lường trực tiếp có thể không khả thi. Các hoạt động quản lý nông nghiệp như canh tác bảo tồn, quản lý chất thải, canh tác hữu cơ và ứng dụng than sinh học làm tăng đáng kể khả năng cô lập cacbon trong đất, có thể được theo dõi hiệu quả thông qua các mô hình mô phỏng và kỹ thuật cảm biến từ xa để phát triển các chiến lược cụ thể cho từng địa điểm nhằm giảm thiểu biến đổi khí hậu (Mandal và cộng sự, 2022). Một số chỉ số có thể cung cấp những hiểu biết có giá trị về động lực học cacbon và hoạt động của vi sinh vật, bao gồm khoáng hóa cacbon tiềm năng, cacbon có thể oxy hóa permanganat, cacbon hữu cơ có thể chiết xuất bằng nước và hoạt động của enzyme β-glucosidase, tất cả đều có mối tương quan chặt chẽ với SOC và phản ứng tích cực với các hoạt động về sức khỏe đất.

Ứng dụng của định lượng SOC rất rộng rãi, từ việc cải thiện sức khỏe đất tại các trang trại riêng lẻ đến hỗ trợ các nỗ lực giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu hoặc các chương trình tín chỉ khí hậu. Một tín chỉ cacbon thường đề cập đến việc loại bỏ một tấn CO₂ hoặc khí nhà kính (CO₂e) tương đương khỏi khí quyển (Oldfield và cộng sự, 2022). Việc quản lý cacbon hữu cơ trong đất có thể chiếm 25% tiềm năng của chiến lược giảm thiểu khí hậu dựa trên tự nhiên, một phần trong số đó (40%) có thể đạt được bằng cách bảo vệ cacbon hiện có và phần còn lại (60%) đạt được bằng cách tái tạo các nguồn dự trữ đã cạn kiệt. Điều này khiến nó trở thành một chiến lược quan trọng để giảm thiểu biến đổi khí hậu đồng thời mang lại lợi ích cho các hệ thống nông nghiệp (Bossio và cộng sự, 2020).

Trong khi Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu (EU) đang cân nhắc các cơ chế chính sách dựa trên cacbon để mở rộng tín chỉ cacbon và các chương trình cô lập SOC, các sáng kiến của chính phủ ở những nơi như Úc và Canada đã kết hợp hiệu quả việc đo lường SOC vào các chương trình bù trừ cacbon, khuyến khích nông dân áp dụng các kỹ thuật cải thiện việc cô lập cacbon (Oldfield và cộng sự, 2022). Ví dụ, Quỹ Giảm Phát thải của Úc sử dụng cả phép đo trực tiếp và mô hình hóa để tính toán những thay đổi SOC, cho phép nông dân có được tín chỉ cacbon từ các hoạt động thân thiện với môi trường như giữ lại rơm rạ và chuyển đổi sang đồng cỏ (Chính phủ Úc, 2021). Nghị định thư Canh tác Bảo tồn ở Alberta, Canada cũng bồi thường cho nông dân khi chuyển đổi từ canh tác truyền thống sang phương pháp không cày xới, điều này đã được chứng minh là làm tăng trữ lượng SOC theo thời gian (Chính phủ Alberta, 2018).

Sổ tay Hướng dẫn Kỹ thuật của EU là một chương trình riêng biệt hỗ trợ việc phát triển các chương trìnhchi trả dựa trên kết quả cho nông nghiệp cacbon trên khắp châu Âu bằng cách tổng hợp các thông lệ tốt nhất quốc tế, hiểu biết của các bên liên quan và kinh nghiệm hàng thập kỷ của EU về các chương trình đa dạng sinh học đất nông nghiệp để hỗ trợ các sáng kiến giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu trên diện rộng (Radley và cộng sự, 2021). Tại Mỹ, Giao thức Làm giàu Đất (CAR SEP) của Khu Bảo tồn Hành động Khí hậu là một sáng kiến như vậy, cho phép tạo ra các tín chỉ cacbon cao cấp trên quy mô lớn bằng cách tích hợp các kỹ thuật lấy mẫu đang phát triển và mô hình hóa sinh địa hóa đất để hỗ trợ thời điểm tạo tín chỉ có lợi cho người trồng trọt (ví dụ: Khu Bảo tồn Hành động Khí hậu, 2022). Các công ty tư nhân khác đã áp dụng các phương pháp tiếp cận khác nhau cho chương trình tín chỉ cacbon, cung cấp các tùy chọn định lượng cacbon khác nhau.

Các chỉ số sức khỏe đất này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, lượng mưa và kết cấu đất, với môi trường mát hơn, ẩm ướt hơn và giàu sét thì các chỉ số này thường có giá trị cao hơn. Cô lập cacbon hữu cơ trong đất là một khái niệm quan trọng, nhưng thường bị hiểu sai, trong việc giảm thiểu biến đổi khí hậu. Cần có thuật ngữ chính xác để phân biệt giữa lưu trữ cacbon thực tế, giảm thiểu mất SOC và phát thải âm để tránh những kỳ vọng phóng đại (Don và cộng sự, 2024). Mặc dù thường được sử dụng thay thế cho nhau, "cô lập cacbon" là quá trình thu giữ và lưu trữ cacbon dioxide trong khí quyển, trong khi "lưu trữ cacbon" đề cập đến vị trí hoặc trạng thái nơi cacbon thu giữ được giữ lại. Ví dụ, so với các hệ thống nông nghiệp thông thường, các hệ thống nông lâm kết hợp có thể giúp cô lập lượng cacbon lớn hơn (Hình 3).

Hình 3. Các biện pháp nông lâm kết hợp có thể mang lại lượng cacbon lớn hơn so với nông nghiệp thông thường. (Nguồn: https://www.grida.no/resources/7569; https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/deed.en)

 

Mặc dù SOC vẫn là thước đo chính, việc kết hợp nó với các chỉ số bổ sung, chẳng hạn như xét nghiệm khoáng hóa cacbon tiềm năng 24 giờ, có thể nâng cao độ nhạy và độ tin cậy của việc đo lường tác động quản lý. Phương pháp tiếp cận đa chỉ số này cung cấp một khuôn khổ vững chắc để đánh giá hiệu quả của các biện pháp xây dựng cacbon trong đất và hướng dẫn quản lý cacbon bền vững. Tiềm năng quản lý cacbon trong đất hiệu quả và có thể mở rộng quy mô ngày càng tăng khi cộng đồng khoa học tiếp tục cải tiến các kỹ thuật định lượng SOC, mang lại sự lạc quan về một tương lai nông nghiệp thân thiện hơn với môi trường, giúp tăng khả năng phục hồi và tăng sản lượng nông nghiệp, đồng thời hỗ trợ các mục tiêu giảm cacbon toàn cầu (Vermeulen và cộng sự, 2019). Một hướng đi phía trước nằm ở việc liên tục hiểu biết về cơ chế đánh giá lưu trữ và cô lập cacbon trong đất, đáp ứng các biện pháp quản lý, cũng như chuẩn hóa các quy trình định lượng SOC.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Hội Khoa học Đất Hoa Kỳ.

Tài liệu tham khảo

Alberta Government. (2021). Alberta quantification protocol for conservation cropping. https://open.alberta.ca/publications/9780778596288  

Australian Government. (2018). National Energy Productivity Plan 2015–2030. https://www.dcceew.gov.au/sites/default/files/documents/national-energy-productivity-plan.pdf 

Bossio, D. A., Cook-Patton, S. C., Ellis, P. W., Fargione, J., Sanderman, J., Smith, P., ... & Griscom, B. W. (2020). The role of soil cacbon in natural climate solutions. Nature Sustainability, 3(5), 391-398. 

Climate Action Reserve. (2022). Soil enrichment protocol (version 1.1). https://climateactionreserve.org/wp-content/uploads/2022/06/Soil-Enrichment-Protocol-V_1.1-final.pdf  

Don, A., Seidel, F., Leifeld, J., Kätterer, T., Martin, M., Pellerin, S., ... & Chenu, C. (2024). Cacbon sequestration in soils and climate change mitigation—Definitions and pitfalls. Global Change Biology, 30(1), e16983. 

Kane, D. A., Bradford, M. A., Fuller, E., Oldfield, E. E., & Wood, S. A. (2021). Soil organic matter protects US maize yields and lowers crop insurance payouts under drought. Environmental Research Letters, 16 (4), 044018,  https://www.doi.org/10.1088/1748-9326/abe492 

Kirby, K. R., & Potvin, C. (2007). Variation in cacbon storage among tree species: Implications for the management of a small-scale cacbon sink project. Forest Ecology and Management, 246(2-3), 208–221. 

Lal, R., 2021. Soil management for cacbon sequestration. South African Journal of Plant and Soil, 38(3), 231–237. 

Lal, R., Griffin, M., Apt, J., Lave, L., & Morgan, M.G. (2004). Managing soil cacbon. Science, 304(5669), 393–393. 

Mandal, A., Majumder, A., Dhaliwal, S. S., Toor, A. S., Mani, P. K., Naresh, R. K., ... & Mitran, T. (2022). Impact of agricultural management practices on soil cacbon sequestration and its monitoring through simulation models and remote sensing techniques: A review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 52(1), 1–49. 

Oldfield, E. E., Eagle, A. J., Rubin, R. L., Rudek, J., Sanderman, J., & Gordon, D. R. (2022). Crediting agricultural soil cacbon sequestration. Science, 375(6586), 1222–1225. 

Paustian, K., Collier, S., Baldock, J., Burgess, R., Creque, J., DeLonge, M., ... & Jahn, M. (2017). Quantifying soil cacbon measurement for agricultural soils management: A consensus view from science. Point Blue Conservation Science. 

Qiao, L., Wang, X., Smith, P., Fan, J., Lu, Y., Emmett, B., Li, R., Dorling, S., Chen, H., & Liu, S. (2022). Soil quality both increases crop production and improves resilience to climate change. Nature Climate Change, 12, 574–580. https://www.doi.org/10.1038/s41558-022-01376-8  

Radley, G., Keenleyside, C., Frelih-Larsen, A., McDonald, H., Pyndt Andersen, S., Qwist-Hoffmann, H., ... & Russi, D. (2021). Setting up and implementing result-based cacbon farming mechanisms in the EU: Technical guidance handbook. Publications Office of the European Union. https://data.europa.eu/doi/10.2834/056153.  

Saccá, M. L., Barra Caracciolo, A., Di Lenola, M., & Grenni, P. (2017). Ecosystem services provided by soil microorganisms. In L. Martin, G. Paola, & G. Mauro (Eds.), Soil biological communities and ecosystem resilience (pp. 9–24). Springer.  

Shu, X., He, J., Zhou, Z., Xia, L., Hu, Y., Zhang, Y., Zhang, Y., Luo, Y., Chu, H., Liu, W., & Yuan, S. (2022). Organic amendments enhance soil microbial diversity, microbial functionality and crop yields: A meta-analysis. Science of the Total Environment, 829, 154627. 

Vermeulen, S., Bossio, D., Lehmann, J., Luu, P., Paustian, K., Webb, C., ... & Warnken, M. (2019). A global agenda for collective action on soil cacbon. Nature Sustainability, 2(1), 2–4.