Michael Douglass và Nan Li đang tiến hành khoan đất tầng sâu để xác định trữ lượng carbon hữu cơ trong đất tại một trang trại ở Piatt County. Nguồn: Dan Schaefer.
Có nhiều carbon được lưu trữ trong đất hơn là trong khí quyển. Một phần đáng kể carbon trong đất ở dạng hữu cơ (carbon liên kết với carbon), được gọi là carbon hữu cơ trong đất (SOC). Đáng chú ý, không giống như carbon vô cơ trong đất, lượng SOC và tốc độ hình thành hoặc mất đi của nó, có thể bị ảnh hưởng bởi con người. Kể từ khi ra đời cách đây khoảng 10.000 năm, nông nghiệp đã khiến một lượng đáng kể SOC thải vào khí quyển dưới dạng carbon dioxide, góp phần gây ra biến đổi khí hậu.
Do đó, định lượng SOC trong các lĩnh vực nông nghiệp là điều cần thiết để theo dõi chu trình carbon và phát triển các phương pháp quản lý bền vững nhằm giảm thiểu phát thải carbon và cô lập carbon từ khí quyển vào đất để giảm hoặc đảo ngược các tác động của khí hậu trong nông nghiệp.
Eric Potash, đang nghiên cứu tại Trung tâm Bền vững Hệ thống Nông nghiệp (ASC) và Khoa Khoa học Tài nguyên & Môi trường (NRES) tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, cho biết: “Ước tính SOC chính xác và hiệu quả là điều cần thiết. Các quốc gia cần ước tính SOC để thực hiện các chính sách giảm thiểu biến đổi khí hậu. Các nhà nghiên cứu cần ước tính SOC để phát triển các thực hành quản lý bền vững. Và nông dân cần ước tính SOC tham gia vào các thị trường tín chỉ carbon mới nổi ”.
Cách truyền thống và đáng tin cậy nhất để định lượng SOC là lấy mẫu đất, với phân tích trong phòng thí nghiệm (phép đo "hóa chất ướt"). Nhưng những vị trí nào ở thực địa cần được lấy mẫu? Và nên lấy bao nhiêu mẫu để ước tính chính xác? Mỗi phẫu diện đất cần bổ sung thêm nhân công và chi phí đáng kể - và sự không chắc chắn trong cách tối ưu hóa việc lấy mẫu có thể dẫn đến chi phí phụ đáng kể.
Trong một bài báo xuất bản từ kết quả Dự án SMARTFARM của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), Potash và các nhà nghiên cứu khác trong dự án đã đánh giá các chiến lược để ước tính SOC. Mục tiêu của họ là phát triển một chiến lược ước tính nhằm tối đa hóa độ chính xác trong khi giảm thiểu số lượng phẫu diện đất được lấy mẫu.
Dự án SMARTFARM, một chương trình được thực hiện bởi tác giả và Blue Waters tại NRES Kaiyu Guan và được tài trợ bởi Cơ quan Năng lượng - Dự án Nghiên cứu Tiên tiến của DOE (ARPA-E), nỗ lực phát triển một giải pháp chính xác để đo và định lượng lượng khí thải nhà kính và SOC thay đổi trong quá trình sản xuất cây trồng.
Michael Douglass vận hành một đầu dò thủy lực để lấy mẫu đất đánh giá trữ lượng carbon hữu cơ trong đất. Nguồn: Andrew Margenot.
Ông Guan, giám đốc sáng lập ASC cho biết: “Chúng tôi mong muốn thu thập dữ liệu thật về đất theo tiêu chuẩn vàng và cũng phát triển công nghệ mới để định lượng kết quả carbon cấp đồng ruộng cho cây năng lượng sinh học, cải thiện năng suất cũng như cải thiện tính bền vững của môi trường”.
Công việc này được thực hiện với nỗ lực thu thập dữ liệu chưa từng có.
DoKyoung Lee, ngành Khoa học Cây trồng, làm việc cho dự án SMARTFARM và cũng là giảng viên sáng lập ASC cho biết: “Chúng tôi đã thu thập 225 mẫu đất, trong đó cứ 1 mẫu Anh (tương đương 0,4 ha) sẽ lấy 3 mẫu đất tại một trong những địa điểm nằm trong dự án SMARTFARM. Các mẫu được thu thập ở độ sâu tới 1m bằng đầu dò Giddings. Mức độ lấy mẫu dày đặc này chưa từng được thực hiện trước đây”. Trong công việc này, các nhà nghiên cứu đã tiếp cận vấn đề bằng cách đánh giá hai bước liên quan đến việc ước tính SOC: (1) quyết định nơi lấy mẫu đất trên cánh đồng; và (2) quyết định quy tắc thống kê để tính toán ước tính (được gọi là công cụ ước lượng). Bằng cách sử dụng một lĩnh vực thương mại ở trung tâm Illinois đã được lấy mẫu kỹ lưỡng để đo lường SOC, nhiều chiến lược có thể được đánh giá về hiệu suất của chúng trong việc ước tính SOC tại đồng ruộng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong một lĩnh vực nông nghiệp điển hình của vùng Trung Tây, họ có thể tận dụng các cuộc khảo sát đất và hình ảnh vệ tinh có sẵn công khai để chọn các vị trí lấy mẫu một cách hiệu quả. Điều này sẽ làm giảm số lượng mẫu cần thiết để đạt được độ chính xác nhất định của định lượng SOC khoảng 28% so với việc chọn vị trí lấy mẫu một cách ngẫu nhiên.
Theo Andrew Margenot, phó giám đốc ASC cho biết: “Đối với các nhà nghiên cứu và cơ quan giám sát trữ lượng SOC, nghiên cứu này đưa ra một chiến lược để tăng độ chính xác, hỗ trợ tối ưu hóa chi phí của các phương pháp lấy mẫu”.
Tương tự, Potash cho biết thêm: “Các nghiên cứu trong tương lai có thể sử dụng những phát hiện này làm tiêu chuẩn để so sánh các chiến lược ước tính SOC mới và như một minh chứng về cách đánh giá các chiến lược đó”.
Nhóm nghiên cứu hiện đang thu thập dữ liệu từ nhiều lĩnh vực khác để kiểm tra khả năng tổng quát hóa các phát hiện của họ - cũng như phát triển cải tiến hơn nữa đối với chiến lược ước tính SOC. Các thành viên trong nhóm cũng đang phát triển một công cụ phần mềm để cung cấp các phương pháp lấy mẫu cải tiến cho nông dân và nhà nghiên cứu.
Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Illinois.
