Giải quyết vấn đề chảy tràn dinh dưỡng trong nông nghiệp

Nhà nghiên cứu khoa học môi trường và tài nguyên thiên nhiên Lowell Gentry mô tả ưu và nhược điểm của các chiến lược khác nhau để giảm lượng nitrate chảy tràn trong nông nghiệp. Nguồn: L. Brian Stauffer.

Dòng chảy nông nghiệp từ các trang trại ở phía tây là nguyên nhân chính dẫn đến một "vùng chết" rộng lớn ở Vịnh Mexico. Nitơ, phốt pho và các chất dinh dưỡng khác trong trang trại chảy vào sông Mississippi, đổ ra Vịnh, thúc đẩy tảo sinh sôi nảy nở quá mức và làm chết ngạt các sinh vật thủy sinh khác. Bang Illinois là thủ phạm chính gây ra tình trạng tàn phá môi trường đang diễn ra này. Biên tập viên Diana Yates của News Bureau đã nói chuyện với nhà nghiên cứu khoa học môi trường và tài nguyên thiên nhiên của Đại học Illinois, Lowell Gentry về các giải pháp khả thi.

Vùng chết ở Vịnh Mexico ngày nay lớn đến mức nào và nông nghiệp của Illinois đóng góp bao nhiêu vào vấn đề này?

Mùa hè năm ngoái, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Louisiana đã đo vùng chết ở Vịnh là 6.334 dặm vuông (10.134 km²), lớn hơn mức trung bình lịch sử của nó. Diện tích lớn nhất từng được đo là 8.776 dặm vuông (14.041 km²) vào năm 2017. Ở bang Illinois, các nguồn phi điểm (trong đó nông nghiệp là nguồn lớn nhất cho đến nay) đóng góp 80% lượng nitơ và khoảng một nửa lượng phốt pho cho các sông, suối. Bang Illinois và Iowa đóng góp nhiều chất dinh dưỡng nhất cho vùng Vịnh và cả hai bang đều đã phát triển các chiến lược giảm thất thoát chất dinh dưỡng, với mục tiêu giảm 45% thất thoát nitơ và phốt pho vào năm 2035.

Chúng tôi đã biết về vấn đề này trong nhiều năm. Tại sao Illinois vẫn gặp khó khăn trong việc giảm lượng chất dinh dưỡng chảy ra từ các trang trại?

Câu trả lời là phức tạp. Nhiều người nghĩ rằng thất thoát chất dinh dưỡng từ đồng ruộng chỉ đơn giản là do bón quá nhiều phân và nông dân chỉ cần sử dụng ít lượng phân bón hơn. Trong một nghiên cứu về hệ thống thoát nước bằng đất sét, chúng tôi chỉ sử dụng 75% lượng phân đạm bón đầy đủ cho ngô. Điều này làm giảm 10% năng suất ngũ cốc nhưng ít ảnh hưởng đến sự thất thoát nitrate qua ống làm bằng đất sét trong quá trình nghiên cứu.

Tuy nhiên, không còn nghi ngờ gì nữa, thời điểm và phương pháp sử dụng chất dinh dưỡng có thể có ảnh hưởng lớn đến sự thất thoát chất dinh dưỡng ở các khu vực thoát nước bằng đất sét của bang. Ví dụ, các nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng lượng nitrate bị mất đi nhiều hơn trên chất liệu đất sét khi bón phân đạm vào mùa thu thay vì vào mùa xuân, ngay trước khi trồng ngô.

Sản xuất đậu tương cũng làm trầm trọng thêm sự thất thoát nitrate đối với hệ thống thoát nước bằng ống đất sét. Chúng tôi tin rằng dạng nitrate này hình thành do sự phân hủy của vi sinh vật đối với tàn dư thực vật và chất hữu cơ trong đất khi cộng đồng vi sinh vật trong đất cạn nguồn carbon dễ tiếp cận. Nitrate hình thành trong thời điểm đất bỏ hoang dễ bị rửa trôi. Đây là một khiếm khuyết trong hệ thống không được giải quyết.

Có nhiều chương trình của chính phủ để khuyến khích nông dân giải quyết vấn đề. Một số chương trình có hoạt động tốt hơn những chương trình khác không?

Còn quá sớm để thấy hiệu quả của các nỗ lực bảo tồn trên toàn bộ lưu vực sông Mississippi. Chúng tôi đã lấy mẫu nước ở sông Embarras ở Camargo, Illinois, trong 30 năm và thấy rất ít bằng chứng về sự cải thiện chất lượng nước trong thời gian này. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn đang trong giai đoạn cơ bản của dự án giám sát dài hạn vì có rất ít hoạt động bảo tồn trên mặt đất ở trung tâm Illinois, nơi có thể mang lại sự thay đổi đáng kể.

Ba chương trình đang diễn ra, thúc đẩy nông dân áp dụng nhiều hơn việc bảo tồn: 1) Che phủ mùa thu tiết kiệm cho mùa xuân, chương trình cây che phủ của Bộ Nông nghiệp Illinois; 2) Tiết kiệm Tài nguyên Nông nghiệp của Ngày mai, một chương trình Bảo tồn Đất và Nước của quận Champaign, hướng dẫn nông dân cách quản lý chất dinh dưỡng; và 3) Quản lý Bảo tồn Chính xác, một chương trình do Hiệp hội Người trồng ngô Illinois phát triển nhằm mục đích giúp nông dân gặt hái những lợi ích kinh tế khi tham gia vào các hoạt động bảo tồn.

Lò phản ứng sinh học là gì và chúng hoạt động tốt như thế nào?

Lò phản ứng sinh học là những rãnh chứa đầy dăm gỗ nhận nước thoát từ ống đất sét và sử dụng quá trình khử nitơ qua trung gian sinh học để loại bỏ nitrate, tương tự như các vùng đất ngập nước được xây dựng nhưng có thiết kế nhỏ hơn nhiều. Chúng tôi hiện đang đánh giá hiệu suất của 06 lò phản ứng sinh học tại một trang trại ở quận Piatt. Cho đến nay, hiệu suất sử dụng là đáng thất vọng, với ít hơn 20% nitrate tồn tại trong chất liệu đất sét được loại bỏ. Nhưng bây giờ chúng tôi đang điều tra xem liệu các nắp đậy bằng đất (soil caps) trên đầu dăm gỗ có cải thiện hiệu suất và tăng tuổi thọ của lò phản ứng sinh học hay không. Những năm có thời tiết cực kỳ ẩm ướt sẽ là một thách thức thực sự đối với các chiến lược cuối đường ống, vì vậy các lò phản ứng sinh học vẫn là một công việc đang được tiến hành.

Việc xây dựng vùng đất ngập nước mới hoặc đệm trồng hoa dại có giúp giữ chất dinh dưỡng tại chỗ không?

Nghiên cứu của chúng tôi về các vùng đất ngập nước được xây dựng cho thấy chúng loại bỏ 50% nitrat trong chất liệu đất sét. Họ cũng cung cấp một loạt các lợi ích dịch vụ hệ sinh thái và động vật hoang dã khác. Tuy nhiên, vị trí của chúng bị hạn chế bởi địa hình. Đất ngập nước không thể được xây dựng ở bất kỳ vị trí nào. Chúng phải được bố trí ở những khu vực cho phép chúng giữ lại đủ nước trong hệ thống để xử lý mà không gây lũ lụt trở lại đồng ruộng. Ngoài ra, việc lắp đặt chúng có thể yêu cầu phải lấy đất ra khỏi sản xuất, điều này làm giảm đáng kể sức hấp dẫn của chúng đối với nông dân. Chất đệm hoa dại rất tốt cho các loài thụ phấn và có thể giúp chống xói mòn đất nhưng có tác động hạn chế đến việc giảm thất thoát chất dinh dưỡng trong các ruộng có hệ thống thoát nước bằng đất sét.

Làm thế nào để người nông dân cải thiện carbon trong đất và giảm lượng chất dinh dưỡng chảy tràn?

Đây là câu hỏi quan trọng nhất. Sự thất thoát carbon trong đất theo chế độ nông nghiệp thông thường trên các cánh đồng thoát nước qua đường ống bằng đất sét vẫn còn xảy ra. Chúng ta cần ngăn chặn sự thất thoát carbon trong đất và hơn thế nữa là, cố gắng tăng hàm lượng carbon trong đất nông nghiệp. Tôi tin rằng thất thoát nitrate-đất sét là kết quả của việc thất thoát carbon trong đất bởi vì chu trình carbon và nitơ liên kết chặt chẽ với nhau.

Kể từ sau Thế chiến thứ hai, chúng ta đã phần nào tách rời chu trình nitơ và carbon bằng cách chuyển từ phân chuồng sang phân bón đạm vô cơ. Bổ sung nitơ vào đất mà không bổ sung đủ carbon sẽ làm cho hệ thống bị rò rỉ - đặc biệt là trong những năm ẩm ướt. Xới đất ít hơn và trồng các loại cây che phủ cỏ có lớp phủ ngoài như lúa mạch đen ngũ cốc là những cách tốt nhất để giải quyết tình trạng thất thoát carbon trong đất và cố gắng đảo ngược xu hướng suy giảm trữ lượng carbon trong đất. Lúa mạch đen ngũ cốc cũng là một loại “cây trồng bắt” nitơ tuyệt vời, vì chúng tôi thường thấy lượng nitrate trong chất liệu đất sét giảm hơn 40% khi lúa mạch đen ngũ cốc được trồng trước đậu tương.

Cách tiếp cận nào có lợi nhất?

Rất ít nghiên cứu dài hạn thực hiện để giải quyết câu hỏi này. Chúng tôi cần thêm dữ liệu nhằm tạo ra các mô hình có thể đánh giá tốt hơn chi phí và lợi ích của các hoạt động bảo tồn khác nhau. Về mặt chiến lược, tôi tin rằng các giải pháp trên đồng ruộng như trồng cây che phủ vụ đông là con đường tốt nhất, vì chúng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chu trình carbon, sự sẵn có của chất dinh dưỡng và sức khỏe tổng thể của đất.

Các công nghệ cuối đường ống như lò phản ứng sinh học và bộ đệm ven sông bão hòa không ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe đất nhưng có thể hấp dẫn hơn đối với nông dân, vì chúng không yêu cầu họ thay đổi thực hành trên đồng ruộng và do đó ít rủi ro đối với sản xuất. Trong khi cây che phủ mùa đông tăng thêm chi phí hàng năm và rủi ro có thể làm giảm năng suất cây trồng và tỷ suất lợi nhuận, chúng giữ nitrate sau vụ trồng thông thường, giữ nó bên ngoài lớp đất sét và giữ lại trên đồng ruộng. Một phần nitơ này có sẵn cho vụ mùa tiếp theo.

Trong một nghiên cứu chứng minh khái niệm, chúng tôi đã so sánh tính kinh tế và thiệt hại do nitrate được giữ lại trong ống đất sét giữa luân canh ngô-đậu tương-lúa mì (với đậu tương hai vụ sau lúa mì và lúa mạch đen ngũ cốc sau ngô) và ngô được trồng thông thường - luân canh đậu tương. Nghiên cứu đó cho thấy rằng người trồng có cùng lợi nhuận và giảm thiệt hại nitrate trong đất sét hơn 30% trong thời gian 06 năm với việc luân chuyển đa dạng hơn. Năm ngoái, ngô trong luân canh đa dạng cho năng suất cao hơn 25 giạ (1 giạ khoảng 36 Lít) trên một mẫu Anh (khoảng 4000m²) so với ngô trồng thông thường. Điều này chỉ ra rằng việc luân canh đa dạng hơn có thể làm tăng chu kỳ nitrate và có lợi cho năng suất cây trồng đồng thời giảm thất thoát nitrate đối với thoát nước nông nghiệp sử dụng đất sét.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org