Các nhà nghiên cứu đã thu thập một lượng lớn dữ liệu về các kiểu thời tiết, điều kiện đất đai đến sử dụng đất và thực hành quản lý nông nghiệp để cung cấp cho mô hình và định lượng những thay đổi trong lượng khí thải nitơ oxit từ đất ở Hoa Kỳ. Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí học thuật Global Change Biology, phân tích lượng khí thải từ đất theo các loại hệ sinh thái và các loại cây trồng chính và phát hiện ra rằng việc mở rộng đất dành cho nông nghiệp từ năm 1900 và đầu vào phân bón thâm canh đã chủ yếu thúc đẩy sự gia tăng tổng thể của khí thải nitơ oxit.
Chaoqun Lu, Phó Giáo sư sinh thái học, tiến hóa và sinh vật học và tác giả của nghiên cứu, cho biết việc sử dụng các mô hình hệ sinh thái như vậy để đánh giá các nguồn phát thải oxit nitơ có thể giúp hướng dẫn các nhà hoạch định chính sách khi họ ban hành các kế hoạch bảo tồn và ứng phó với biến đổi khí hậu.
Lu nói: “Mô hình chúng tôi đang sử dụng là mô hình hệ sinh thái dựa trên quy trình. Nó tương tự như việc bắt chước các mô hình và quy trình của hệ sinh thái trong máy tính của chúng tôi. Chúng tôi chia đất thành hàng nghìn pixel với kích thước đồng nhất và chạy các thuật toán mô phỏng cách các quá trình sinh thái phản ứng với những thay đổi về khí hậu, thành phần không khí và các hoạt động của con người”.
Nghiên cứu cho thấy lượng khí thải nitơ oxit từ đất Hoa Kỳ đã tăng hơn gấp ba lần kể từ năm 1900, từ 133 triệu tấn CO2 mỗi năm vào đầu thế kỷ 20 lên 404 triệu tấn CO2 mỗi năm trong những năm 2010. Theo nghiên cứu, gần 3/4 lượng phát thải gia tăng đó bắt nguồn từ đất nông nghiệp với sản xuất ngô và đậu tương tăng lên hơn 90% lượng khí thải liên quan đến nông nghiệp.
Các tác giả nghiên cứu viết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tiềm năng giảm thiểu nitơ oxit lớn trong đất trồng trọt và tầm quan trọng của việc khám phá các chiến lược giảm thiểu cây trồng cụ thể và ưu tiên các giải pháp quản lý thay thế cho các loại cây trồng mục tiêu”.
Lu cho biết, sự gia tăng lượng khí thải tương ứng với việc mở rộng diện tích đất trồng trọt ở Hoa Kỳ. Các mô hình máy tính cho thấy đất dành cho sản xuất nông nghiệp thải ra nhiều nitơ oxit hơn là cảnh quan tự nhiên. Điều đó phần lớn là do việc bón phân đạm phổ biến trên đất nông nghiệp và sản xuất cây họ đậu. Nitơ bổ sung được cây trồng sử dụng một phần, phần còn lại nằm trong đất hoặc bị thất thoát ra môi trường. Trong quá trình này, vi sinh vật sống trong đất tiêu thụ các hợp chất chứa nitơ và tạo ra nitơ oxit như một sản phẩm phụ. Lu nói: Hiểu rõ hơn về động lực của loại cây trồng nào dẫn đến lượng khí thải lớn nhất có thể giúp hình thành chính sách giảm thiểu khí hậu. Vì trung bình lượng phân đạm được bón nhiều hơn trong sản xuất ngô so với các cây trồng khác, nghiên cứu cho thấy các loại đất trồng ngô có xu hướng thải ra nhiều nitơ oxit hơn trên một đơn vị phân bón được sử dụng.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các mô hình toán học mô phỏng các quá trình sinh thái. Lu cho biết, các mô hình dựa trên hàng núi dữ liệu được thu thập và phát triển trong suốt nhiều năm. Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp dữ liệu của chính phủ về cây trồng, sử dụng đất, thời tiết và các biến số khác. Họ cũng dựa vào dữ liệu lịch sử và khảo sát từ nông dân và các chủ đất khác.
Nhóm nghiên cứu cũng so sánh kết quả từ mô hình của họ với dữ liệu trong thế giới thực để xác nhận kết quả. Ví dụ, các nhà khoa học cho thấy dự đoán năng suất của mô hình của họ được theo dõi với hồ sơ năng suất quốc gia có từ năm 1925 đối với các loại cây trồng chính như ngô, đậu tương, lúa mì, gạo và các loại khác. Điều đó cho thấy mô phỏng mô hình có thể theo dõi quỹ đạo lâu dài của sự hấp thụ nitơ hỗ trợ tăng năng suất cây trồng trong thế kỷ qua. Họ cũng so sánh các dự đoán phát thải oxit nitơ của mô hình với dữ liệu thực tế được thu thập từ nhiều loại đất tự nhiên và được quản lý trên toàn quốc, cũng như các phép đo chuỗi thời gian từ một địa điểm luân canh ngô-đậu tương ở trung tâm Iowa trong suốt bảy năm.
Nina Cedergreen nói: “Nếu chúng ta muốn đưa xã hội hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn và bền vững, chúng ta cần tìm cách thay thế các chất dinh dưỡng trong đất mà chúng ta loại bỏ khi thu hoạch cây trồng. Và lý tưởng nhất là sử dụng tối thiểu các loại phân bón thông thường, vốn tốn nhiều năng lượng và chi phí cao để sản xuất”.
Nguyễn Minh Thu (Theo sciencedaily)
