Theo các nhà nghiên cứu ISU, việc mở rộng đất nông nghiệp và bón phân đạm đã làm gia tăng lượng khí thải nitơ oxit từ đất. Nguồn: Loren King.
Các nhà nghiên cứu đã thu thập một lượng lớn dữ liệu về mọi thứ, từ 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 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 về nitơ oxit khí thải.
Chaoqun Lu, phó giáo sư sinh thái học, tiến hóa và sinh vật học và đồng 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 nitơ oxit 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”.
Kết quả cho thấy lượng khí thải tăng gấp ba lần
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 tương đương (MMT CO2 eq) mỗi năm vào đầu thế kỷ 20 lên 404 MMT CO2 eq mỗi năm trong những năm thập niên đầu tiên của thế kỷ 21. 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 dẫn đến hơn 90% lượng khí thải liên quan đến nông nghiệp tăng lên.
“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”, các tác giả nghiên cứu viết trong bài báo của họ.
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 sử dụng rộng rãi phân đạm 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, các vi sinh vật sống trong đất tiêu thụ các hợp chất chứa nitơ và tạo ra nitơ oxit như một sản phẩm phụ. 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 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 của họ. 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 nitơ oxit ở mô hình của họ 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 và đậu tương ở trung tâm Iowa trong suốt bảy năm.
“Nhóm của chúng tôi đã dành nhiều thời gian để cải thiện hiệu suất của mô hình và phát triển lịch sử động lực, bao gồm cả những xáo trộn tự nhiên và con người, cho các mô phỏng mô hình”, Lu nói. “Đằng sau hậu trường, có hàng nghìn dòng thuật toán để hướng dẫn mô hình máy tính đưa ra dự đoán. Phải mất nhiều thập kỷ nỗ lực và nhiều hơn thế nữa, để giảm sự không chắc chắn của mô hình và kết hợp hiểu biết tốt hơn về quá trình sinh thái nhờ công sức của các nhà khoa học thực địa”.
Huỳnh Thi Đan Anh theo Phys.Org
In bài viết
