Nghiên cứu dài hạn lập bản đồ phát thải khí nhà kính từ đất nông nghiệp
Lauren Quinn, Khoa Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Khoa học Môi trường tại Đại học Illinois Urbana-Champaign
Máy phân tích khí đo carbon dioxide và nitơ oxit từ các cánh đồng. Tín dụng: Khoa Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Khoa học Môi trường tại Đại học Illinois Urbana-Champaign
Nông dân bón phân đạm cho cây trồng để tăng năng suất, nuôi sống nhiều người và gia súc hơn. Nhưng khi lượng phân bón vượt quá khả năng hấp thụ của cây trồng, một phần lượng phân dư thừa có thể chuyển thành dạng khí, bao gồm nitơ oxit, một loại khí nhà kính giữ nhiệt trong khí quyển nhiều gấp gần 300 lần so với carbon dioxide. Khoảng 70% nitơ oxit do con người tạo ra có nguồn gốc từ đất nông nghiệp, vì vậy, điều quan trọng là phải tìm ra cách hạn chế lượng khí thải đó.
Trước khi có thể khuyến nghị các biện pháp để giảm nitơ oxit và các loại khí nhà kính khác từ đất nông nghiệp, trước tiên các nhà khoa học phải hiểu chúng được thải ra ở đâu và khi nào. Lấy mẫu khí thải từ đất đòi hỏi nhiều công sức và tốn kém, vì vậy hầu hết các nghiên cứu đều không lấy mẫu rộng rãi theo không gian và thời gian.
Một nghiên cứu mới từ Đại học Illinois Urbana-Champaign đã tìm cách thay đổi điều đó, lấy mẫu nghiêm ngặt khí thải nitơ oxit và carbon dioxide từ các cánh đồng ngô và đậu nành thương mại theo các kịch bản quản lý thực tế trong nhiều năm. Bộ dữ liệu này không chỉ có thể đưa ra các khuyến nghị giảm thiểu mà còn có thể tinh chỉnh các mô hình khí hậu dự đoán tương lai toàn cầu của chúng ta. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nông nghiệp, Hệ sinh thái & Môi trường.
Đồng tác giả nghiên cứu Chunhwa Jang, nhà khoa học nghiên cứu tại Khoa Khoa học cây trồng, một phần của Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Môi trường tại Illinois, cho biết: "Giảm thiểu khí thải nhà kính từ đất nông nghiệp có thể giúp chúng ta đạt được các mục tiêu về khí hậu toàn cầu". "Cần có độ phân giải không gian và thời gian cao, dữ liệu quy mô lớn và nhiều năm để thiết lập các chiến lược giảm thiểu có thông tin đầy đủ. Trước nghiên cứu của chúng tôi, các bộ dữ liệu này không tồn tại".
Jang và các đồng nghiệp dưới sự lãnh đạo của Kaiyu Guan từ Trung tâm Phát triển Bền vững Hệ sinh thái Nông nghiệp đã tạo ra bộ dữ liệu mở rộng nhất hiện có về khí thải nitơ oxit và carbon dioxide tại trang trại. Họ đã thiết lập một mạng lưới lớn các địa điểm lấy mẫu khí tại các cánh đồng ngô và đậu nành thương mại theo phương pháp quản lý thông thường, bảo tồn và không cày xới.
Hãy tưởng tượng một cánh đồng được trang bị các ống khói nhỏ trên mặt đất thải khí ra từ đất. Các nhà nghiên cứu sẽ đến đó bằng máy móc để đo nồng độ các loại khí đó hàng tuần hoặc hai tuần một lần trong suốt mùa vụ trong hai năm. Các ống khói liên tục thải ra nồng độ khí cao được gọi là điểm nóng. Những thời điểm nóng là khi nồng độ tăng lên ở hầu hết hoặc tất cả các ống khói sau các sự kiện như mưa hoặc bón phân.
Một máy phân tích khí đo carbon dioxide và nitơ oxit từ các cánh đồng. Bản đồ nội suy trọng số khoảng cách nghịch đảo (IDW) của các thông lượng CO2 tích lũy trong đất theo mùa (cột bên trái của mỗi năm) và N2O (cột bên phải của mỗi năm) được đo bằng các buồng thủ công tại ba địa điểm (Bondville, Villa Grove và Pesotum) trong cả hai năm (2021 và 2022). Số lượng điểm lấy mẫu cho Bondville, 2021 và Villa Grove, 2022 đã tăng lên bốn mươi nhưng các nút bổ sung này không được hiển thị để việc so sánh giữa các năm dễ dàng hơn về mặt trực quan. Các biểu tượng khác nhau cho các loại cây trồng (ngô và đậu nành) và các phương pháp canh tác (cày thông thường, cày giảm và không cày) được đặt phía trên các bản đồ để chỉ ra cách quản lý từng địa điểm và năm. Chú thích (phía trên bên phải) hiển thị mã màu của các phạm vi thông lượng được chỉ định để biểu thị sự phân bố của các thông lượng trên các địa điểm và năm. Nguồn: Nông nghiệp, Hệ sinh thái & Môi trường (2025). DOI: 10.1016/j.agee.2025.109636
"Chúng tôi thấy rằng luồng khí carbon dioxide tương tự nhau trên từng cánh đồng, địa điểm và năm, hoặc thậm chí giữa các hệ thống ngô và đậu nành", Jang cho biết. "Những kết quả này cho chúng tôi biết rằng lượng khí thải carbon dioxide là nhất quán và việc lấy mẫu có độ phân giải không gian cao có thể đủ để ước tính luồng khí trên toàn cánh đồng".
Ngược lại, nitơ oxit lại không nhất quán. Không chỉ lượng nitơ oxit tại một ống khói cụ thể thay đổi đáng kể từ lần lấy mẫu này sang lần lấy mẫu khác (thời điểm nóng), các nhà nghiên cứu còn phát hiện ra rằng họ không thể dự đoán được nơi nào trên cánh đồng mà họ sẽ tìm thấy các điểm nóng vào bất kỳ ngày nào.
Khám phá những thông tin mới nhất về khoa học, công nghệ và không gian với hơn 100.000 người đăng ký tin tưởng vào Phys.org để biết thông tin chi tiết hàng ngày. Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về các đột phá, sáng kiến và nghiên cứu quan trọng - hàng ngày hoặc hàng tuần.
"Về mặt không gian và thời gian, nitơ oxit rất thay đổi", Jang cho biết. "Một ngày nào đó, điểm A sẽ có một khoảnh khắc nóng, và sau đó ở lần đo tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm thấy những khoảnh khắc nóng tại các điểm B và C. Các điểm nóng chỉ di chuyển xung quanh."
Phát hiện này rất quan trọng vì nếu các nghiên cứu trước đây chỉ lấy mẫu tại một vài
của các điểm hoặc vào một vài ngày, ước tính của họ về thông lượng nitơ oxit có thể sai lệch rất nhiều. Các phép đo này cung cấp thông tin cho các mô hình khí hậu toàn cầu cho chúng ta biết chúng ta sẽ đạt đến điểm tới hạn quan trọng sớm như thế nào, vì vậy điều cực kỳ quan trọng là chúng phải chính xác nhất có thể.
"Dự án này cho phép chúng tôi nắm bắt được sự thay đổi về không gian-thời gian và quản lý để cung cấp dữ liệu tiêu chuẩn vàng và nền tảng để xác thực lượng khí thải nhà kính ở cấp độ đồng ruộng", đồng tác giả nghiên cứu DoKyoung Lee, giáo sư khoa học cây trồng tại Illinois cho biết. "Điều này là cần thiết cho các hoạt động bền vững nhằm đảm bảo nhu cầu lương thực và năng lượng sinh học cũng như giảm thiểu lượng khí thải ra khí quyển".
Kết quả cũng cho thấy cách quản lý và hệ thống canh tác ảnh hưởng đến lượng khí thải nhà kính. Lượng khí thải carbon dioxide tương tự đối với ngô và đậu nành và đối với phương pháp bảo tồn và không cày xới, nhưng phương pháp cày xới thông thường và ngô liên tục có nồng độ cao hơn. Mặt khác, nitơ oxit cao hơn nhiều ở ngô so với đậu nành trong điều kiện bảo tồn và không cày xới, và gần như vượt quá biểu đồ ở ngô liên tục trong điều kiện cày xới.
"Chúng ta có thể không dự đoán được khí nitơ oxit sẽ tăng đột biến ở đâu và khi nào, nhưng chúng ta biết rằng quản lý tạo nên sự khác biệt", Jang cho biết. "Trong ngô liên tục, nông dân phải bón một lượng lớn phân đạm, chuyển hóa thành khí nitơ oxit. Và canh tác thông thường làm gián đoạn bề mặt đất và giải phóng khí. Chúng ta biết phải làm gì để giảm thiểu tình trạng này".
