Quản lý nitơ trong đất để nâng cao năng suất và tính bền vững: Hiểu rõ những lợi ích và tổn thất
Rải đều phân Urê trên ruộng ngô trong một nghiên cứu về hiệu quả sử dụng nitơ nhằm đánh giá các nguồn nitơ và liều lượng bón khác nhau. Nguồn: Sofía Cominelli, Đại học Bang Kansas.
Nitơ là dưỡng chất thiết yếu cho sự sinh trưởng của cây trồng nhưng lại khó quản lý, vì cây phụ thuộc vào các nguồn N trong đất – những nguồn rất dễ bị thất thoát thông qua rửa trôi, bay hơi và nhiều con đường khác. Khi chi phí phân bón tăng và rủi ro môi trường lớn hơn, việc sử dụng N hiệu quả trở nên cực kỳ quan trọng đối với cả lợi nhuận và tính bền vững của nông hộ. Hiểu được nitơ trong đất đến từ đâu và đi về đâu giúp nông dân áp dụng các công cụ thông minh hơn – như công nghệ canh tác chính xác, các biện pháp cải thiện sức khỏe đất và các chế phẩm sinh học – nhằm đồng bộ tốt hơn giữa nguồn cung N và nhu cầu của cây trồng.
Khi nghĩ về những yếu tố giúp cây trồng phát triển, chúng ta thường nghĩ đến ánh sáng mặt trời, nước và đất khỏe mạnh. Nhưng còn một yếu tố quan trọng khác âm thầm góp phần tạo ra nguồn lương thực trên bàn ăn của chúng ta - đó là nitơ (N). Là nền tảng của năng suất cây trồng, N là dưỡng chất mà cây cần với lượng lớn nhất và thường là yếu tố đầu tiên bị thiếu hụt khi hệ sinh thái tự nhiên được đưa vào canh tác. Ngô, đậu tương và nhiều loại cây lương thực chủ lực khác cần N cho quá trình tổng hợp protein, thúc đẩy quang hợp và chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng suất thu hoạch. Nếu thiếu N, cây sẽ bị vàng lá, sinh trưởng còi cọc và năng suất thu hoạch giảm mạnh. Khi được cung cấp đủ N, các loại ngũ cốc như lúa mì, ngô và lúa - những cây trồng cung cấp 50% lượng calo cho thế giới sẽ đạt mức sinh trưởng và năng suất tối ưu, góp phần đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.
Tuy nhiên, nitơ (N) là một dưỡng chất khó quản lý. Mặc dù chiếm tới 78% khí quyển, thực vật không thể hấp thu trực tiếp N ở dạng khí. Chúng phụ thuộc chủ yếu vào nguồn N trong đất ở các dạng có thể hấp thụ - được cung cấp bởi khoáng tự nhiên, phân bón, chất hữu cơ hoặc hoạt động của vi sinh vật đất. Việc xác lập cân bằng N là rất quan trọng: thiếu N làm hạn chế sinh trưởng cây trồng, trong khi dư thừa N có thể bị rửa trôi vào hệ thống sông ngòi, thấm xuống tầng nước ngầm hoặc phát thải vào khí quyển, kéo theo nhiều hệ lụy môi trường.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy lượng nitơ tối ưu về mặt kinh tế (Economic Optimum Nitrogen Rate – EONR) cho cây ngô tại Hoa Kỳ đã tăng trung bình khoảng 2,7 kg N/ha mỗi năm trong giai đoạn 1991–2021 (Baum và cộng sự, 2025). Điều này cho thấy nông dân phải bón ngày càng nhiều nitơ hơn để duy trì năng suất, từ đó làm gia tăng chi phí cũng như nguy cơ ô nhiễm môi trường nếu nitơ không được sử dụng hiệu quả, đặc biệt trong bối cảnh giá phân bón ở mức cao. Theo báo cáo của Cơ quan Dịch vụ Tiếp thị Nông nghiệp thuộc USDA, đến tháng 8 năm 2025, giá phân bón trung bình tại bang Illinois đã tăng lên 786 USD/tấn đối với amoniac khan, 594 USD/tấn đối với amoniac và 431 USD/tấn đối với N dạng lỏng, cao hơn đáng kể so với mức trung bình lịch sử. Ngay từ năm 2021, nông dân trồng ngô tại khu vực Trung Tây Hoa Kỳ đã phải chi khoảng 40% tổng chi phí sản xuất cho phân bón (Paulson và cộng sự, 2025). Khi lượng nitơ bón vào không mang lại sự gia tăng.
Các nghiên cứu trên đất vùng Trung Tây Hoa Kỳ, đặc biệt là đất thô hoặc đất cát dưới hệ thống canh tác ngô liên tục hoặc luân canh ngô-đậu tương, cho thấy ngay cả khi bón phân đạm ở mức tối ưu về mặt kinh tế, hiện tượng rửa trôi nitrat vẫn xảy ra đáng kể. Nguồn: Sofía Cominelli, Đại học Bang Kansas.
Từ góc độ môi trường, nitơ (N) gây ra rủi ro lớn hơn so với lân (P) và kali (K) do tính di động cao của N trong đất. Ví dụ, sau khi được bón, một phần N bị chuyển hóa thành dạng nitrat (NO₃⁻), là dạng rất dễ bị rửa trôi và thấm xuống các tầng nước ngầm nông, cũng như xâm nhập vào suối và sông. Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (U.S. Geological Survey) đã phân loại nhiều khu vực có nguy cơ cao bị ô nhiễm nitrat, đặc biệt tại những vùng có địa hình bằng phẳng, đất cát hoặc đất thoát nước tốt, và diện tích đất canh tác liên tục kéo dài trên phạm vi lớn (USGS, 2025).
Các nghiên cứu trên đất vùng Trung Tây Hoa Kỳ, đặc biệt là trên các loại đất có kết cấu thô hoặc đất cát trong hệ thống canh tác ngô liên tục hoặc luân canh ngô – đậu tương, cho thấy rằng ngay cả khi bón đạm (N) ở mức tối ưu về mặt kinh tế, hiện tượng rửa trôi nitrat vẫn xảy ra với mức độ đáng kể. Những tổn thất này gây ra các tác động lan tỏa vượt xa phạm vi đồng ruộng. Sự ô nhiễm nitrat đe dọa nguồn nước sinh hoạt, làm suy thoái hệ sinh thái sông suối và góp phần hình thành “vùng chết” quy mô lớn tại Vịnh Mexico vào mỗi mùa hè, một khu vực rộng lớn bị thiếu oxy nghiêm trọng khiến sinh vật biển gặp nhiều khó khăn trong việc tồn tại.
Quản lý nitơ (N) hiệu quả trong canh tác là điều cần thiết cho cả lợi nhuận nông nghiệp và tính bền vững của môi trường. Giá phân bón nitơ biến động mạnh và chịu ảnh hưởng lớn từ các điều kiện thị trường toàn cầu, khiến việc sử dụng N một cách hiệu quả về mặt kinh tế trở thành ưu tiên hàng đầu của người sản xuất. Đồng thời, N cần được quản lý chặt chẽ để đáp ứng đầy đủ nhu cầu của cây trồng nhằm đạt năng suất tối đa, nhưng không bón quá nhiều, bởi lượng phân bón vượt nhu cầu sẽ làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm môi trường. Phần N không được cây trồng hấp thu không chỉ gây tổn thất kinh tế mà còn trở thành nguồn phát thải tiềm tàng gây ô nhiễm. Do đó, nông nghiệp phải đối mặt với trách nhiệm kép: vừa bảo đảm sản xuất lương thực đồng thời giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường. Thông qua việc theo dõi các dòng vào – ra của N trong hệ thống canh tác, chúng ta có thể sử dụng nó hiệu quả hơn, qua đó đạt được năng suất cao đồng thời bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên mà tất cả chúng ta phụ thuộc.
Nitơ trong đất đến từ đâu
Việc hiểu rõ các nguồn gốc N trong đất là điều cơ bản để quản lý hiệu quả. Nguồn đạm phục vụ cho sinh trưởng và phát triển của cây trồng có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau, mỗi nguồn đều đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ phì nhiêu của đất và năng suất nông nghiệp, như được minh họa trong chu trình N (Hình 1).
Hình 1. Chu trình N: Nguồn gốc và điểm đến của N. Nguồn: Bộ Nông nghiệp bang Minnesota.
Một nguồn tự nhiên quan trọng cung cấp N cho đất là quá trình khoáng hóa chất hữu cơ, được điều khiển chủ yếu bởi hoạt động của vi sinh vật đất. Khi tàn dư thực vật, phân chuồng hoặc phân compost được bổ sung vào đất, các vi sinh vật bắt đầu phân giải vật chất hữu cơ này. Thông qua quá trình khoáng hóa, bao gồm các bước amôn hóa và nitrat hóa, N hữu cơ được chuyển đổi thành các dạng cây trồng có thể hấp thu như amoni (NH₄⁺) và nitrat (NO₃⁻). Hiệu quả của “nhà máy N tự nhiên” này phụ thuộc vào một số yếu tố môi trường. Nhiệt độ đất cao thường thúc đẩy tốc độ khoáng hóa do hoạt động của vi sinh vật tăng lên theo nhiệt độ. Độ ẩm đất cũng đóng vai trò then chốt: tình trạng thiếu nước sẽ hạn chế hoạt động vi sinh vật, trong khi đất bị úng nước có thể làm giảm lượng oxy sẵn có, từ đó làm chậm quá trình khoáng hóa. Hàm lượng sét trong đất cũng có ý nghĩa quan trọng, bởi các loại đất có kết cấu mịn có khả năng bảo vệ vật lý chất hữu cơ khỏi sự phân hủy, dẫn đến quá trình giải phóng N diễn ra chậm hơn và ổn định hơn.
Nông nghiệp hiện đại thường bổ sung cho chu trình N tự nhiên bằng các loại phân bón, được chia thành hai nhóm chính: phân bón tổng hợp và chất hữu cơ cải tạo đất.
-
Phân bón N tổng hợp (ví dụ: urê, amoni và nitrat) cung cấp nguồn N ở dạng dễ tiêu, mà cây trồng có thể sử dụng ngay lập tức. Các loại phân bón này đã giúp tăng năng suất đáng kể, vốn là đặc trưng của nền nông nghiệp hiện đại.
-
Các chất hữu cơ cải tạo đất (ví dụ: phân chuồng và phân compost) hoạt động khác với phân bón tổng hợp. Thay vì cung cấp N tức thời, chúng giải phóng dinh dưỡng một cách dần dần thông qua quá trình phân giải vật chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật đất.
Một quá trình sinh thái có khả năng cung cấp N cho sinh trưởng của cây trồng diễn ra một cách tự nhiên trong hệ sinh học, được gọi là quá trình cố định N sinh học. Đây là quá trình trong đó một số vi khuẩn chuyên biệt chuyển hóa N trong khí quyển thành các dạng mà thực vật có thể sử dụng. Quá trình cố định N sinh học diễn ra theo hai con đường chính: thông qua mối quan hệ cộng sinh với cây họ đậu và nhờ các vi khuẩn đất sống tự do. Trong đó, đóng góp quan trọng nhất thuộc về mối quan hệ cộng sinh giữa cây họ đậu và vi khuẩn Rhizobia. Khi các cây họ đậu như đậu tương, cỏ linh lăng hoặc cỏ ba lá sinh trưởng, chúng hình thành các nốt sần đặc thù trên rễ chứa vi khuẩn rhizobia. Bên trong các nốt sần này, vi khuẩn sử dụng enzym nitrogenase để chuyển hóa N khí quyển thành amoniac (NH₃), sau đó được cây trồng đồng hóa vào protein và các hợp chất hữu cơ khác. Sự cộng sinh đặc biệt này cho phép cây họ đậu sinh trưởng tốt trong điều kiện đất nghèo N, đồng thời góp phần làm giàu N cho đất, tạo nguồn dinh dưỡng cho các cây trồng kế tiếp (Sinharoy và cộng sự, 2024).
Các vi khuẩn đất sống tự do cũng tham gia vào quá trình cố định N, mặc dù mức độ đóng góp thấp hơn so với mối quan hệ cộng sinh ở cây họ đậu. Nhóm vi khuẩn này, bao gồm các loài như Azotobacter và một số vi khuẩn lam, cố định một lượng N tương đối nhỏ nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì mức N nền của đất trong nhiều hệ sinh thái khác nhau (Qiao và cộng sự, 2024).
Tất cả các nguồn nitơ (N) này đều phụ thuộc vào đất khỏe mạnh và có hoạt tính sinh học cao để có thể phát huy hiệu quả. Sức khỏe đất được cải thiện thông qua cấu trúc vật lý tốt, hàm lượng chất hữu cơ cao và quần xã vi sinh vật đa dạng, qua đó tạo nền tảng cho chu trình N diễn ra hiệu quả.
Khi các cây họ đậu sinh trưởng, chúng hình thành các nốt sần chuyên biệt trên rễ chứa vi khuẩn rhizobia. Bên trong các nốt sần này, vi khuẩn sử dụng enzym nitrogenase để chuyển hóa N trong khí quyển thành amoniac (NH₃), sau đó được cây trồng đồng hóa vào protein và các hợp chất hữu cơ khác. Nguồn: Wikimedia Commons/Nefronus.
Đất khỏe mạnh duy trì quần thể vi sinh vật có quy mô lớn và mức độ đa dạng cao, qua đó điều tiết quá trình khoáng hóa N. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sinh khối vi sinh vật đất là yếu tố dự báo mạnh nhất đối với tốc độ khoáng hóa N trong các hệ sinh thái khác nhau. Các vi sinh vật này không chỉ tham gia phân giải chất hữu cơ mà còn điều hòa các quá trình chuyển hóa N, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cung cấp N cho cây trồng cũng như các dạng thất thoát N ra môi trường (Li và cộng sự, 2019).
Hàm lượng chất hữu cơ trong đất có vai trò đặc biệt quan trọng, bởi các loại đất có hàm lượng chất hữu cơ cao hơn có thể tích lũy lượng N lớn hơn và giải phóng N một cách ổn định theo thời gian. Chất hữu cơ đồng thời cải thiện cấu trúc đất thông qua việc hình thành hệ thống lỗ rỗng và các tập hợp đất bền vững, hỗ trợ cho hoạt động của vi sinh vật và sự phát triển của bộ rễ. Cấu trúc đất được cải thiện còn giúp tăng cường khả năng thấm và giữ nước, qua đó điều hòa điều kiện ẩm độ thúc đẩy quá trình chuyển hóa N.
Các biện pháp canh tác bảo tồn như trồng cây che phủ, giảm thiểu cày xới, luân canh cây trồng đa dạng và bổ sung chất hữu cơ góp phần cải thiện sức khỏe đất và tạo ra các vòng phản hồi tích cực trong chu trình N. Khi chất lượng đất được cải thiện, quá trình khoáng hóa N diễn ra hiệu quả hơn, cố định N sinh học được tăng cường và hiệu quả sử dụng phân bón được cải thiện.
N đi đâu
Lượng nitơ bị lấy đi trong phần thu hoạch của cây ngũ cốc là một yếu tố then chốt cần xem xét khi xác định liều lượng bón phân. Trong quá trình thu hoạch, N được xuất khỏi đồng ruộng cùng với hạt ở mức trung bình khoảng 0,9 lb N/bushel đối với ngô, 3,8 lb N/bushel đối với đậu tương và 1,2 lb N/bushel đối với lúa mì (Nafziger, 2023). Các nghiên cứu cho thấy cây trồng chỉ sử dụng hiệu quả khoảng 50% lượng phân đạm được bón, phần còn lại bị thất thoát thông qua nhiều con đường khác nhau. Các cơ chế thất thoát nitơ chủ yếu bao gồm bay hơi amoniac, khử nitrat, rửa trôi và dòng chảy bề mặt (Bảng 1 và Hình 1). Những tổn thất này không chỉ gây chi phí kinh tế đáng kể cho nông dân mà còn gây ra thiệt hại môi trường như phú dưỡng hóa nguồn nước, phát thải khí nhà kính và axit hóa đất.
Bảng 1. Các quá trình chính và tác nhân vi sinh vật trong chu trình nitơ.
|
Quá trình |
Các yếu tố chính tác động (điều kiện/đầu vào) |
Phạm vi nhiệt độ (°C) |
Các vi sinh vật chủ chốt |
|
Cố định N (N₂ → NH₃/NH₄⁺) |
Nồng độ oxy thấp, sự hiện diện của N₂, nguồn carbon sẵn có |
15–30 (tối ưu cho hầu hết các vi sinh vật cố định đạm, nhưng một số loài có thể cố định ở phạm vi rộng hơn) |
Sống tự do : Azotobacter, Clostridium; Cộng sinh: Rhizobium, Bradyrhizobium, Frankia; Vi khuẩn lam (Anabaena) |
|
Sự amoni hóa (khoáng hóa) (Organic N → NH₄⁺) |
Chất hữu cơ (protein, axit nucleic), hoạt động phân hủy |
Rộng (5–40), nhiệt độ ưa thích ~25–35 |
Vi khuẩn dị dưỡng (Bacillus, Pseudomonas) and nấm (Aspergillus, Penicillium) |
|
Quá trình nitrat hóa (NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻) |
Điều kiện hiếu khí, khả năng cung cấp NH₄⁺ |
15–30 ( tối ưu ~25–28) |
Bước 1 (vi khuẩn/vi sinh vật oxy hóa moniac): Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosopumilus (AOA); Bước 2 (vi khuẩn oxy hóa nitrit): Nitrobacter, Nitrospira |
|
Khử nitrat (NO₃⁻ → N₂O/N₂) |
Điều kiện thiếu oxy hoặc không có oxy, NO₃⁻ làm chất nhận electron, nguồn carbon hữu cơ |
tối ưu 20–30 (nhưng hoạt động trong khoảng 5–40) |
Pseudomonas, Paracoccus, Bacillus |
|
Anammox (oxy hóa amoni kỵ khí) : NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂) |
Điều kiện hoàn toàn không có oxy, có sự hiện diện của NH₄⁺ và NO₂⁻ |
20–43 (tối ưu ~30–37) |
Candidatus Brocadia, Candidatus Kuenenia (Planctomycetes) |
|
Sự đồng hóa (NO₃⁻/NH₄⁺ → Organic N) |
Sự hiện diện của N vô cơ, năng lượng từ quá trình quang hợp/hô hấp. |
0–40 (tùy thuộc vào sinh vật ) |
Thực vật, tảo, nấm, vi khuẩn (chức năng trao đổi chất chung) |
“Sự thất thoát nitơ dưới dạng nitrat (NO₃–N) là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây suy thoái hệ sinh thái và phú dưỡng nguồn nước ngọt tại Hoa Kỳ. Mức độ thất thoát này có thể được giảm thiểu thông qua việc hạn chế lượng N tồn dư trong đất sau thu hoạch hoặc đồng bộ hóa nguồn cung N với nhu cầu N của cây trồng. Dưới đây là các con đường chính mà nitơ có thể di chuyển trong hệ sinh thái:
Sự hấp thu N của cây trồng và sự lấy đi N thông qua thu hoạch hạt
Sự hấp thu nitơ của cây trồng là quá trình mà cây trồng hấp thụ N từ dung dịch đất, chủ yếu dưới dạng nitrat (NO₃⁻) và amoni (NH₄⁺). N đóng vai trò thiết yếu đối với sinh trưởng của cây trồng vì là thành phần cấu tạo của axit amin, protein, diệp lục và các enzyme tham gia vào quá trình quang hợp và trao đổi chất. Trong suốt mùa vụ, cây trồng hấp thu N thông qua hệ rễ và phân bố đến lá, thân và các cơ quan sinh sản. Khi cây bước vào giai đoạn trưởng thành, một phần lớn N được tái phân bố từ các bộ phận sinh dưỡng đến hạt đang hình thành, nơi N tham gia vào quá trình tổng hợp protein.
Khi cây trồng được thu hoạch, lượng N tích lũy trong hạt bị lấy ra khỏi ruộng, quá trình này được gọi là loại bỏ N theo hạt. Lượng N bị loại bỏ phụ thuộc vào năng suất hạt và hàm lượng protein trong hạt. Mặc dù việc loại bỏ N theo hạt phản ánh hiệu quả sử dụng dinh dưỡng, nhưng đồng thời đây cũng là sự mất mát N trong hệ sinh thái. Do đó, lượng N này cần được bổ sung thông qua bón phân khoáng hoặc bổ sung nguồn hữu cơ nhằm duy trì độ phì nhiêu của đất và bảo đảm năng suất bền vững cho các vụ sản xuất tiếp theo.
Rửa trôi
Rửa trôi là quá trình các chất hòa tan di chuyển theo chiều thẳng đứng xuống dưới trong phẫu diện đất khi nước mưa hoặc nước tưới thấm sâu vượt qua vùng rễ và trong một số trường hợp đi vào tầng nước ngầm. Khi nước xâm nhập vào đất và di chuyển qua hệ thống lỗ rỗng, các hợp chất dễ hòa tan như nitrat, kali hoặc các muối hòa tan sẽ được vận chuyển theo dòng nước. Các vi sinh vật đất đóng vai trò trung tâm trong các quá trình biến đổi N tạo ra các dạng hòa tan dễ bị rửa trôi. Khi tàn dư cây trồng hoặc chất hữu cơ phân hủy, vi sinh vật khoáng hóa N hữu cơ thành amoni (NH₄⁺). Vi khuẩn nitrat hóa, điển hình là Nitrosomonas và Nitrobacter, oxy hóa amoni thành nitrit (NO₂⁻) và cuối cùng thành nitrat (NO₃⁻). Do nitrat có độ hòa tan cao và liên kết yếu với các hạt đất, nên khi nước mưa hoặc nước tưới thấm xuống, nitrat dễ dàng bị vận chuyển ra khỏi vùng rễ.
Khử nitrat
Quá trình khử nitrat là quá trình do vi sinh vật đất chi phối, trong đó nitrat (NO₃⁻) hoặc nitrit (NO₂⁻) được khử từng bước thành các dạng nitơ ở thể khí, chủ yếu là nitơ oxit (N₂O) và khí nitơ phân tử (N₂), sau đó được phát thải vào khí quyển. Đây là một phần quan trọng trong chu trình N toàn cầu do quá trình này loại bỏ vĩnh viễn các dạng N hoạt động khỏi hệ thống đất và thủy sinh. Thông thường, quá trình này xảy ra ở những nơi ẩm ướt hoặc ngay sau khi mưa và khi nhiệt độ cao hơn 15°C.
Sự bay hơi
Bay hơi nitơ từ phân bón chủ yếu là sự phát thải khí amoniac (NH₃) sau khi bón phân urê. Quá trình này xảy ra do phản ứng thủy phân urê và sự gia tăng pH cục bộ tại vị trí bón phân và có thể được hạn chế thông qua việc vùi phân kịp thời vào đất, tưới nước hoặc mưa đúng thời điểm, hoặc sử dụng các chất ức chế urease. Một dạng bay hơi N khác hiện vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ là sự bay hơi N từ cây trồng. Bay hơi N từ lá cây được hiểu là quá trình phát thải trực tiếp các hợp chất nitơ ở thể khí, chủ yếu là amoniac (NH₃), trức tiếp từ bề mặt lá vào khí quyển. Mặc dù phần lớn thất thoát nitơ trong hệ thống canh tác xảy ra thông qua các quá trình trong đất (ví dụ: bay hơi amoniac sau bón phân hoặc quá trình khử nitrat), cây trồng vẫn có khả năng phát thải khí N trong những điều kiện nhất định.
Dòng chảy
Sự thất thoát N do dòng chảy bề mặt và xói mòn xảy ra khi nước mưa hoặc nước tưới di chuyển trên bề mặt đất thay vì thấm vào trong đất. Dòng chảy bề mặt này có thể cuốn trôi N dưới cả hai dạng hòa tan và dạng hạt. Lượng N hòa tan bị mất chủ yếu là nitrat (NO₃⁻) – một dạng N có tính hòa tan cao trong nướcvà có thể dễ bị vận chuyển theo dòng nước chảy trên bề mặt đất
Cả dòng chảy bề mặt và xói mòn đều là những con đường chính gây thất thoát nitơ từ các cánh đồng nông nghiệp. Nguồn: JJ Gouin/Alamy.
Xói mòn
Xói mòn đất làm bong tách và cuốn trôi các hạt đất giàu chất hữu cơ và amoni (NH₄⁺), cả hai đều là dạng nitơ liên kết với đất. Khi trầm tích bị rửa trôi, lượng N gắn với các hạt đất này cũng bị mất theo, dẫn đến suy giảm độ phì nhiêu của đất.
Cả dòng chảy bề mặt và xói mòn đất là những con đường thất thoát N quan trọng trong hệ thống canh tác nông nghiệp, làm giảm khả năng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng và đồng thời gây ra các vấn đề môi trường như ô nhiễm nguồn nước và hiện tượng phú dưỡng. Việc áp dụng các biện pháp quản lý đất và cây trồng, bao gồm duy trì thảm che phủ thực vật, hạn chế xáo trộn đất và sử dụng cây che phủ hoặc dải đệm sinh học, có thể góp phần làm giảm các tổn thất này thông qua việc bảo vệ bề mặt đất và cải thiện khả năng thấm nước.
Đất cát, với các lỗ rỗng lớn hơn, thúc đẩy cho nước di chuyển nhanh hơn trong đất, do đó có nguy cơ rửa trôi dinh dưỡng cao hơn so với các loại đất nặng như đất sét. Nguy cơ này gia tăng khi một lượng lớn nước di chuyển qua tầng đất trong thời gian ngắn, chẳng hạn sau các trận mưa lớn hoặc tưới quá mức và khi chất dinh dưỡng tồn tại ở các dạng có tính hòa tan cao như nitrat, vốn dễ bị rửa trôi hơn so với amoni. Mặc dù sự hấp thu tích cực của cây trồng có thể góp phần làm giảm tổn thất, nhưng trong những giai đoạn nhu cầu dinh dưỡng của cây thấp, các chất dinh dưỡng trong đất trở nên dễ bị thất thoát hơn theo dòng nước thấm xuống.
Khi N bị thất thoát khỏi ruộng canh tác, nông dân phải chịu tổn thất kinh tế trực tiếp do phân bón, một trong những khoản chi phí lớn trong sản xuất cây trồngbị lãng phí. Chẳng hạn, mỗi đơn vị N bị mất do rửa trôi, bay hơi hoặc khử nitrat hóa đều làm giảm tiềm năng thu hồi năng suất từ khoản đầu tư phân bón đó. Bên cạnh tổn thất kinh tế, N thất thoát còn gây ra các hệ lụy môi trường đáng kể. Nitrat bị rửa trôi có thể làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, amoniac bay hơi góp phần gây ô nhiễm không khí, trong khi các hợp chất N dạng khí như N₂O là những khí nhà kính có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu rất cao. Do đó, việc quản lý N một cách hiệu quả là rất quan trọng, vừa nhằm giảm chi phí đầu vào cho nông dân, vừa góp phần hạn chế các tác động tiêu cực đến môi trường.
Các công cụ để quản lý N thông minh hơn
Quản lý N hiệu quả không chỉ phụ thuộc vào lượng bón mà còn chịu ảnh hưởng lớn bởi thời điểm và bối cảnh cũng như số lượng áp dụng. Trong nhiều thập kỷ qua, nông dân, các nhà khoa học và nhà hoạch định chính sách đã thống nhất về một nguyên tắc định hướng chung: N cần được cung cấp đồng bộ với nhu cầu của cây trồng, đồng thời giảm thiểu các cơ hội gây thất thoát N. Mặc dù không tồn tại một giải pháp duy nhất phù hợp cho mọi điều kiện canh tác, việc đạt được sự cân bằng này đòi hỏi sự kết hợp của nhiều công cụ bổ trợ, bao gồm các nguyên lý nông học, công nghệ chẩn đoán dinh dưỡng và các biện pháp canh tác sinh thái.
Nền tảng nằm ở nguyên tắc “4R”, bao gồm cung cấp đúng nguồn, đúng liều lượng, đúng thời điểm và đúng vị trí (IFA, 2009; Johnston & Bruulsema, 2014), hay còn được gọi là nguyên tắc thực hành quản lý tốt nhất (BMPs) (Bruulsema, 2008). Mặc dù các hướng dẫn này có vẻ đơn giản, nhưng mỗi nguyên tắc đều là một điểm quyết định quan trọng, có ảnh hưởng mạnh mẽ đến cả năng suất cây trồng và các kết quả môi trường, tùy thuộc vào việc áp dụng BMPs phù hợp với điều kiện địa phương. Chẳng hạn, các dạng phân bón rất đa dạng, từ urê truyền thống đến các sản phẩm phân bón hiệu suất cao có khả năng làm chậm các quá trình biến đổi của N trong đất, mỗi loại đều có những đánh đổi nhất định về chi phí và hiệu quả. Mức bón phân, vốn trước đây thường được xác định dựa trên các giá trị trung bình theo vùng, hiện nay ngày càng được điều chỉnh chi tiết hơn nhờ sử dụng các dữ liệu đặc thù theo từng điểm canh tác. Việc đồng bộ hóa nguồn cung N với nhu cầu của cây trồng thông qua bón phân chia lần hoặc tưới kết hợp bón phân giúp hạn chế dư thừa, trong khi các phương pháp bón như bón theo hàng hoặc tiêm chích vào đất đưa chất dinh dưỡng đến gần vùng rễ và tránh xa các con đường gây thất thoát do bay hơi hoặc dòng chảy bề mặt.
Nguyên tắc 4R là nền tảng của việc quản lý N hiệu quả - cung cấp đúng nguồn, đúng liều lượng, đúng thời điểm và đúng địa điểm. Nguồn: Wikimedia Commons/Michael Trolove.
Ngày càng có nhiều công cụ hỗ trợ ra quyết định được phát triển nhằm chuyển hóa các nguyên tắc 4R từ hướng dẫn trừu tượng thành các chiến lược thực tiễn trên đồng ruộng. Các mô hình mô phỏng động, chẳng hạn như Adapt-N tích hợp dữ liệu về đất, cây trồng và thời tiết để đưa ra khuyến cáo bón phân thích ứng theo mùa vụ, qua đó điều chỉnh “đúng liều lượng” và “đúng thời điểm” phù hợp với những biến động của điều kiện khí hậu. Tương tự, phương pháp Tỷ suất lợi nhuận tối đa theo N (MRTN) dựa trên các bộ dữ liệu thí nghiệm đa địa điểm quy mô lớn nhằm xác định mức bón tối ưu về mặt kinh tế, giúp nông dân cân bằng giữa gia tăng năng suất, hiệu quả đầu tư và rủi ro môi trường. Ở góc độ công nghệ, các hệ thống bón phân với liều lượng biến đổi (VRT) hiện thực hóa nguyên tắc “đúng vị trí” bằng cách điều chỉnh lượng đầu vào theo các vùng khác nhau trong cùng một thửa ruộng, dựa trên bản đồ năng suất, lưới thông tin đất hoặc ảnh viễn thám. Ngoài ra, thiết bị bay không người lái (UAVs) tích hợp cảm biến đa phổ ngày càng được ứng dụng trong quản lý N.
Những cải tiến kỹ thuật số và cơ giới hóa này ngày càng được tích hợp với các nền tảng dựa trên điện toán đám mây, có khả năng tổng hợp dữ liệu từ cảm biến, dự báo thời tiết và hồ sơ lịch sử canh tác nhằm dự đoán nhu cầu nitơ của cây trồng trước khi các biểu hiện thiếu hụt dinh dưỡng xuất hiện. Khi được kết hợp với các phương pháp chẩn đoán truyền thống và các thực hành canh tác sinh thái như sử dụng cây che phủ, những công cụ này cho phép xây dựng một hệ thống quản lý N mang tính thích ứng và bền vững hơn—một hệ thống biết tận dụng sự biến động của điều kiện tự nhiên để tối ưu hóa quyết định quản lý, thay vì bị chi phối bất lợi bởi chính sự biến động đó.
Việc chuyển hóa các nguyên tắc này vào thực tiễn sản xuất đòi hỏi phải đo đạc và giám sát kịp thời. Phân tích đất vẫn giữ vai trò nền tảng, cung cấp các ước tính về lượng nitrat tồn dư tại thời điểm gieo trồng; tuy nhiên, các phép đo đơn lẻ hiếm khi nắm bắt được đầy đủ tính động của chu trình N trong đất. Chỉ số dinh dưỡng N (NNI) cung cấp một khung chẩn đoán dựa trên cơ sở sinh lý học, cho phép đánh giá trạng thái dinh dưỡng N của cây trồng theo thời gian thực so với các đường pha loãng tới hạn, qua đó giúp tối ưu hóa thời điểm và liều lượng bón phân bằng cách đồng bộ nguồn cung N với nhu cầu thực tế của cây trồng, thay vì bón dư như một biện pháp “bảo hiểm” trước những bất định (Lemaire và cộng sự, 2008).Các đánh giá của cây trồng trong vụ, thông qua phân tích mô lá, thiết bị đo diệp lục cầm tay hoặc các cảm biến phản xạ tán cây, mang lại cái nhìn trực tiếp và kịp thời hơn về tình trạng dinh dưỡng của cây.
Sự phát triển nhanh chóng của nông nghiệp chính xác đang chuyển hóa các công cụ chẩn đoán thành những chiến lược quản lý có thể triển khai trực tiếp trên đồng ruộng. Các hệ thống vệ tinh, thiết bị bay không người lái và cảm biến tại chỗ hiện nay cho phép lập bản đồ sự biến đổi theo thời gian thực, trong khi các công nghệ bón phân với liều lượng biến đổi có khả năng cung cấp đầu vào ở quy mô nhỏ trong từng thửa ruộng. Ngày càng nhiều nền tảng kỹ thuật số tích hợp dữ liệu về đất, thời tiết và năng suất để xây dựng các khuyến cáo mang tính dự báo với các mô hình học máy bước đầu cho thấy tiềm năng dự đoán nhu cầu N của cây trồng ngay cả trước khi các biểu hiện thiếu hụt trở nên rõ ràng.
Tuy nhiên, quản lý N thông minh hơn không chỉ dựa trên các thiết bị tốt hơn mà còn phụ thuộc vào việc xây dựng nền tảng sinh học của đất. Cây che phủ và luân canh đa dạng là một trong những công cụ mạnh mẽ nhưng chưa được tận dụng hết để cân bằng nguồn cung và nhu cầu N.
Các loài cây che phủ không thuộc họ đậu, như lúa mạch đen, có khả năng thu gom nitrat sau thu hoạch và hạn chế thất thoát do rửa trôi trong giai đoạn đất bỏ hóa; trong khi các loài họ đậu, như cỏ ba lá hoặc đậu tằm, có khả năng cố định N từ khí quyển, góp phần bổ sung dinh dưỡng N cho cây trồng vụ sau. Các hỗn hợp cây che phủ kết hợp cỏ và cây họ đậu giúp cân bằng các thái cực: chúng vừa thu nhận lượng N dư thừa, vừa cung cấp nguồn N giải phóng chậm, phù hợp với tỷ lệ C:N tối ưu cho quá trình khoáng hóa của vi sinh vật.
Các loài cây che phủ không thuộc họ đậu, như lúa mạch đen, có khả năng thu gom nitrat sau thu hoạch và hạn chế thất thoát do rửa trôi trong giai đoạn đất bỏ hóa. Nguồn: Lynn Betts.
Qua nhiều năm, các hệ thống luân canh có kết hợp cây che phủ đã góp phần tăng hàm lượng chất hữu cơ, cải thiện cấu trúc đất và hoạt động vi sinh vật, từ đó giúp đất trở thành một nguồn cung và kho dự trữ N ổn định hơn. Việc áp dụng các công cụ canh tác sinh thái khác, chẳng hạn như canh tác bảo tồn đến không làm đất, trồng xen canh, sử dụng phân xanh, v.v., có thể mở ra những hướng bổ sung nhằm xây dựng nền tảng hóa – sinh của đất cho việc quản lý N bền vững.
Việc nhận ra nền tảng sinh học của quá trình này đã thúc đẩy mối quan tâm ngày càng tăng đối với việc sử dụng các chỉ thị sức khỏe đất như những yếu tố dự báo khả năng cung cấp N. Các chỉ tiêu như hàm lượng chất hữu cơ trong đất, N tiềm khoáng hóa, sinh khối vi sinh vật chứa N hoặc hoạt tính enzyme phản ánh các khía cạnh về khả năng giải phóng N của đất trong suốt mùa vụ. Mặc dù vẫn đang tiếp tục được hoàn thiện, các chỉ thị này giúp quá trình quản lý vượt ra ngoài các phép phân tích hóa học tĩnh, hướng tới sự hiểu biết mang tính chức năng hơn về nguồn cung N nhằm đồng bộ với nhu cầu của cây trồng. Các nghiên cứu gần đây thậm chí cho thấy cấu trúc quần thể vi sinh vật hoặc các chỉ thị gen liên quan đến quá trình nitrate hóa và khử nitrat có thể trong tương lai giúp dự báo các con đường thất thoát N, từ đó mở rộng một chiều hướng khác khả năng dự báo. Các chỉ thị này có thể trở thành công cụ bổ sung quan trọng cho quản lý N theo hướng nông nghiệp chính xác, đặc biệt nếu được tích hợp vào các quy trình phân tích độ phì đất định kỳ .
Nhìn chung, các công cụ này đang mở ra bước chuyển từ các khuyến cáo bón phân truyền thống sang hệ thống quản lý N mang tính thích ứng (Hình 2). Các nguyên tắc 4R đóng vai trò như chiếc kim chỉ nam, trong khi các biện pháp chẩn đoán và công nghệ nông nghiệp chính xác lại cung cấp các công cụ định hướng để ra quyết định. Cây che phủ và luân canh cây trồng tạo dựng tính bền vững sinh thái và các chỉ số sức khỏe đất hứa hẹn sẽ kết nối các chức năng sinh học của đất với thực hành nông học.
Hình 2. Bộ công cụ quản lý N thông minh: Việc tích hợp nhiều chiến lược cần được thực hiện cục bộ và cân bằng để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng N.
Không có công cụ nào đủ hiệu quả khi sử dụng độc lập; nhưng việc kết hợp giữa các công cụ có thể tối ưu hóa hiệu quả sử dụng N, hỗ trợ duy trì năng suất và giảm thiểu thất thoát ra môi trường nước và không khí. Quản lý N bền vững có thể dựa trên việc gia tăng chất hữu cơ trong đất và các biện pháp canh tác bảo tồn giúp tích lũy carbon, qua đó nâng cao khả năng cung cấp N nội tại và cải thiện sự đồng bộ giữa quá trình khoáng hóa N và nhu cầu của cây trồng. Tuy nhiên, thời điểm và phương pháp bón vẫn mang tính quyết định hơn so với lựa chọn nguồn phân bón hữu cơ hay vô cơ.
Nguyên tắc cốt lõi của quản lý N trong tương lai là chuyển từ việc bón quá nhiều như một biện pháp "bảo hiểm" sang quản lý chính xác dựa trên hiểu biết về nhu cầu và giới hạn đặc thù của từng hệ thống canh tác. Dù được triển khai thông qua các biện pháp sinh thái, công cụ chẩn đoán hay các công nghệ hiệu suất cao, điểm chung cốt yếu vẫn là đồng bộ nguồn cung N với nhu cầu thực tế của cây trồng, thay vì bón dư như một biện pháp an toàn.
Thách thức ở phía trước không nằm ở việc thiếu các giải pháp mà ở chỗ bảo đảm khả năng tiếp cận, điều chỉnh giải pháp phù hợp với các bối cảnh canh tác đa dạng và hài hòa các động lực để những quyết định trong ngắn hạn có thể góp phần củng cố tính bền vững trong dài hạn.
Hướng tới tương lai
Tương lai của quản lý N sẽ được định hình bởi sự tích hợp giữa các khung sức khỏe đất, chế phẩm phân bón sinh học và các công nghệ mới nổi. Các công cụ và phương pháp quản lý thông minh hơn đang giúp nông dân không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón mà còn củng cố nền tảng sinh học của đất.
-
Một hướng đi đầy tiềm năng là tích hợp các khung sức khỏe đất vào quản lý N. Đất khỏe mạnh, giàu chất hữu cơ, hoạt động sinh học mạnh và có cấu trúc bền vững sẽ giữ và giải phóng dinh dưỡng hơn cho cây trồng. Thông qua việc theo dõi các chỉ thị như cacbon hữu cơ trong đất, hoạt tính vi sinh vật và độ bền kết cấu đất, nông dân và chuyên gia tư vấn có thể đồng bộ hóa việc sử dụng phân bón với các quá trình tự nhiên của đất một cách hợp lý hơn.
-
Một hướng phát triển khác là việc sử dụng phân bón sinh học, là các chế phẩm vi sinh vật sống có khả năng tăng cường cố định N, huy động dinh dưỡng hoặc cải thiện khả năng chống chịu của cây trồng. Khi được kết hợp với phân bón thông thường, các sản phẩm này có thể nâng cao hiệu quả sử dụng dinh dưỡng và giảm nhu cầu bón với liều lượng cao. Khi đi kèm với phân compost, cây che phủ và các biện pháp cải tạo sinh học khác, phân bón sinh học đang trở thành bộ công cụ ngày càng quan trọng trong nông nghiệp thích ứng với bến đổi khí hậu.
-
Các cảm biến chính xác, thiết bị bón phân điều chỉnh tốc độ theo biến động trên đồng ruộng và mô hình hỗ trợ quyết định giúp nông dân bón đúng lượng N, đúng thời điểm và đúng vị trí. Nguồn: Microsoft Copilot.
Nông dân giữ vai trò trung tâm trong quá trình chuyển đổi từ các khuyến cáo bón phân truyền thống sang hệ thống quản lý N mang tính thích ứng, đồng thời được xem như những “người quản lý” đảm bảo cả an ninh lương thực và bền vững môi trường.
Một số công nghệ nhất định, chẳng hạn như các giống lai cải tiến, đã được phát triển thông qua chọn tạo nhằm tăng cường hiệu quả sử dụng N. Các đặc tính nổi bật bao gồm hệ thống rễ ăn sâu giúp khai thác N từ các tầng đất dưới, khả năng tái phân bổ N từ lá về hạt trong giai đoạn hình thành hạt, và hiệu quả quang hợp cao hơn trên mỗi đơn vị N trong lá. Tương tự, phân bón nhả chậm và các chất ức chế nitrat hóa có thể làm chậm các quá trình chuyển hóa N trong đất, qua đó cải thiện sự đồng bộ giữa khả năng cung cấp N và nhu cầu của cây trồng, đồng thời giảm thiểu thất thoát N qua rửa trôi và phát thải khí.
Những đổi mới này có thể đồng thời nâng cao năng suất cây trồng và tăng lợi nhuận cho nông dân. Ngược lại, các chiến lược khác như bón thúc theo hàng hoặc bón phân theo tỷ lệ thay đổi lại có hiệu quả cao hơn trong việc giảm thất thoát N ra môi trường, nhưng thường mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp hạn chế cho người sản xuất. Điều này cản trở việc ứng dụng trên diện rộng, trừ khi được hỗ trợ bởi các chính sách hoặc các cơ chế thị trường cụ thể.
Thông điệp cốt lõi rất đơn giản: hiểu rõ động thái của N trong đất là bước đầu tiên để quản lý N tốt hơn. Bằng cách theo dõi các dòng N đi vào, chuyển hoá và thoát khỏi hệ thống đất, chúng ta có thể thiết kế các biện pháp và công nghệ nhằm gia tăng giá trị N được giữ lại trên đồng ruộng, đồng thời giảm thiểu thất thoát ra môi trường. Mặc dù chúng ta sở hữu kiến thức khoa học, công nghệ và các chiến lược quản lý hiệu quả để cải thiện hiệu quả sử dụng N, nhưng thách thức thực sự có thể là áp dụng chúng trên quy mô lớn. Tìm kiếm sự cân bằng giữa việc nuôi sống dân số toàn cầu đang tăng lên và bảo vệ hệ thống không khí, nước và khí hậu của hành tinh là trọng tâm của vấn đề nan giải về N.
Cao Thị Hải Yến theo Sciencesocieties.org
Số lần xem: 60
