Huijie Gan, trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học Thực vật và Kiến trúc Cảnh quan, cầm một mẫu đất và cảm biến sử dụng cho dự án đánh giá dinh dưỡng đất giữa một bộ sưu tập các mẫu đất khác ở Young Building vào ngày 25 tháng 7 năm 2023. Nguồn: Sydney Herdle/Uconn.

Đất thì quan trọng nhưng lại bị đánh giá thấp. Từ việc đóng vai trò là môi trường nơi hầu hết thực phẩm của chúng ta được gieo trồng, đến việc cô lập carbon và giảm nồng độ CO₂ trong khí quyển, đến việc trở thành ngôi nhà chung của rất nhiều loài trong đa dạng sinh học, bao gồm cả vi khuẩn sản xuất kháng sinh, đất là chìa khóa cho sự sống trên Trái đất.

Tuy nhiên, các hoạt động nông nghiệp và sử dụng đất hiện nay đang làm suy thoái đất và còn nhiều điều chưa biết về những yếu tố tạo nên một loại đất khỏe mạnh, có khả năng phục hồi, chủ yếu là do các phương pháp đánh giá còn hạn chế. Các nhà nghiên cứu tại UConn đang nghiên cứu để khắc phục điều này.

Trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học Thực vật và Kiến trúc Cảnh quan Huijie Gan cho biết: “Những gì được đo lường có thể được quản lý”. Gan và các đồng tác giả của cô đang nghiên cứu một cách tiết kiệm chi phí để đánh giá hiệu quả dinh dưỡng của đất trên quy mô lớn. Phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Soil Biology and Biochemy.

Gan nói: “Nếu bạn không biết cách định lượng những gì còn thiếu, thì rất khó để nói bạn sẽ thay đổi bất cứ điều gì như thế nào”.

Gan giải thích rằng dự án này phát triển từ một dự án lớn hơn của Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên (NRCS) của USDA, nhằm tìm các cộng tác viên của trường đại học để giúp xác định những khía cạnh khác nhau của các chức năng của đất và xem đất hoạt động như thế nào dưới các phương pháp quản lý khác nhau. Mục tiêu của dự án này là tìm ra cách dễ dàng để đánh giá các hoạt động cải tạo hoặc bảo tồn đất nhất định có thành công hay không và tại sao. Điều này ngày càng quan trọng, đặc biệt đối với sự phát triển của các hoạt động nông nghiệp thích ứng với khí hậu có thể giúp đảm bảo sản xuất lương thực khi đối mặt với biến đổi khí hậu.

Gan cho biết: “Chúng tôi muốn định lượng khả năng của đất trong việc hỗ trợ sản xuất lương thực, cũng như các chức năng quan trọng khác của hệ sinh thái như điều chỉnh quá trình thấm và lưu trữ nước, giảm phát thải khí nhà kính và khả năng lưu trữ carbon. Đất chứa nhiều chất hữu cơ. Vi khuẩn liên tục phân hủy các dạng chất hữu cơ phức tạp thành các dạng hoạt tính sinh học đơn giản hơn, giải phóng các chất dinh dưỡng khoáng để cây hấp thụ và một số CO₂ trong quá trình này. Chúng tôi muốn có đủ loại than hoạt tính này trong đất để hỗ trợ hoạt động của vi sinh vật và các chức năng của hệ sinh thái, nhưng chúng tôi cũng muốn lượng carbon trong đất ổn định hơn và không dễ dàng thải ra khí quyển”.

Gan giải thích rằng chất hữu cơ trong đất cũng hoạt động như một miếng bọt biển hút nước và ảnh hưởng đến cách nước di chuyển trong đất. Kết quả là động lực học của nước ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật và nhiều quá trình đất này thường đan xen với nhau, đó là lý do tại sao khái niệm về sức khỏe của đất nhấn mạnh sự cần thiết phải xem xét đất với quan điểm tổng thể.

Tuy nhiên, việc đánh giá sức khỏe của đất không hề dễ dàng. Có một cuộc tranh luận trong cộng đồng khoa học đất liên quan đến việc đánh giá sức khỏe của đất nên được thực hiện như thế nào. Một cách tiếp cận phổ biến là định lượng một tập hợp các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học được chọn của đất biểu thị các chức năng quan trọng của đất và sau đó chỉ định điểm sức khỏe của đất dựa trên phạm vi kết quả đo từ các loại đất trong cùng một khu vực.

Một chỉ báo sức khỏe đất được sử dụng rộng rãi được cho là giải phóng CO₂ hoặc quá trình khoáng hóa carbon ngắn hạn, nằm trong bộ dữ liệu tối thiểu do USDA-NRCS và Viện Sức khỏe Đất khuyến nghị. Giao thức tiêu chuẩn yêu cầu làm khô đất trong không khí và sau đó thêm một lượng nước xác định trước. Nước khởi động hoạt động của vi sinh vật, giải phóng một lượng lớn khí CO₂. Lượng CO₂ được giải phóng trong thời gian ủ là dấu hiệu của nhiều thứ, chẳng hạn như tổng sinh khối vi sinh vật, nhóm chất hữu cơ hoạt động và khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của cây trồng.

Gan cho biết: “Có một số phòng thí nghiệm, thử nghiệm đất của chính phủ hoặc thương mại chuyên biệt sẽ thực hiện loại đánh giá sức khỏe của đất này. Hầu hết sử dụng phương pháp bẫy kiềm thông thường, sử dụng các hộp nhỏ chứa dung dịch kiềm để hấp thụ CO₂ từ quá trình hô hấp của vi sinh vật hoặc dựa vào máy phân tích khí để đo lường sự thay đổi nồng độ CO₂ bên trong các lọ ủ theo thời gian.

Quan tâm đến việc đơn giản hóa quy trình, Gan lo lắng về cách mở rộng quy mô các phép đo. Trong khi khắc phục sự cố, cô nói rằng một đồng nghiệp đã đề xuất các cách điều chỉnh CO₂ đơn giản thường được sử dụng trong nhà kính hoặc các không gian kín khác. Dựa vào các phương pháp tiêu chuẩn để đo CO₂ trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng hóa chất, tính toán và thiết bị chính xác, Gan chưa bao giờ xem xét một phương pháp nào khác.

“Tôi không biết vì chúng tôi có một giao thức cố định và bạn chỉ cần tuân thủ điều đó. Tôi đã xem lại thông tin về các cảm biến và tôi nghĩ, Wow! Đây là điều hứa hẹn”.

Gan và các đồng tác giả đã bảo đảm kinh phí để mua các thiết bị điện tử và cảm biến. Với sự giúp đỡ của Ken Premo tại cửa hàng điện tử của UConn trong Dịch vụ Kỹ thuật của Khoa Công nghệ, họ bắt đầu xây dựng nền tảng này. Thiết bị bao gồm cảm biến CO₂, màn hình hiển thị, đồng hồ thời gian thực và bộ ghi dữ liệu, cho phép thu thập dữ liệu nồng độ CO₂ liên tục. Gan cho biết gần đây với một số trợ giúp mã hóa bổ sung từ sinh viên khoa học máy tính Mason Ritchotte '24 (ENG), giờ đây họ có thể sử dụng một bộ vi điều khiển duy nhất cho nhiều cảm biến để đo nhiều mẫu cùng một lúc.

“Đột nhiên, quy trình này dễ dàng hơn rất nhiều vì chúng tôi không cần thực hiện bất kỳ phản ứng hóa học nào hoặc xử lý chất thải nguy hại và chúng tôi có thể mở rộng quy mô để tạo ra một nền tảng thông lượng tương đối cao để đo nhiều mẫu cùng một lúc. Bạn có thể cần rất nhiều đất cho vào, thêm nước, đóng nó lại và sau đó tất cả dữ liệu được tạo ra. Bước tiếp theo là kết nối trực tiếp cảm biến với máy tính để nó có thể tạo ra các biểu đồ”.

Ngoài việc đo lượng CO₂ giải phóng từ quá trình hô hấp của vi sinh vật, Gan còn tích hợp cảm biến tải trọng vào nền tảng cảm biến, cho phép đo đồng thời khả năng giữ nước của đất trong điều kiện khô hạn mô phỏng. Nhiều loại đất ở Connecticut được phát triển trên các vật liệu có kết cấu thô còn sót lại từ kỷ băng hà cuối cùng và thường thoát nước tốt nhưng dễ bị hạn hán do khả năng giữ nước vốn có của chúng thấp. Tăng hàm lượng chất hữu cơ trong đất, hoạt động giống như một miếng bọt biển để hấp thụ nước, có thể làm tăng khả năng phục hồi của đất đối với hạn hán. Gan và sinh viên tốt nghiệp Monique Michaud '23 (CAHNR) của cô hiện đang thực hiện một dự án khác do NRCS tài trợ để cung cấp dữ liệu chính xác hơn về các đặc tính thủy lực của đất Connecticut dựa trên các phép đo thực địa.

Gan và các đồng nghiệp của cô đã thử nghiệm nền tảng cảm biến bằng cách lấy mẫu đất từ khắp Connecticut. Gan giải thích, các loại đất khác nhau có cấu trúc dinh dưỡng rất khác nhau và để thu được toàn bộ quang phổ, họ đã lấy mẫu đất từ nhiều cảnh quan, bao gồm rừng, cánh đồng cỏ khô, cánh đồng ngô theo cả phương pháp thông thường và không làm đất, cũng như bãi cỏ. Gan cho biết họ đã phát hiện ra trong những điều kiện khác nhau này, đất càng bị xáo trộn - những loại đất có mức độ cày xới hoặc canh tác cao hơn - thì lượng CO₂ giải phóng càng thấp so với đất không được cày xới hoặc cày xới trong nhiều năm. Các loại đất bị xáo trộn nhiều hơn cũng giữ ít nước hơn các loại đất ít bị xáo trộn hơn.

“Cụ thể là, những khu vực ít bị xáo trộn nhất có nhiều vi sinh vật hô hấp hơn và giữ nhiều nước hơn trong điều kiện khô hạn. Nhưng khi bạn nhìn vào tổng lượng carbon và tính toán các phân số được giải phóng từ tổng lượng carbon, thì nó lại thấp hơn. Chúng có tổng lượng carbon nhiều hơn, nhưng phần được giải phóng thấp hơn, có nghĩa là tỷ lệ carbon cao hơn của chúng ổn định hơn, điều này tốt cho các chức năng hệ sinh thái lâu dài hay sự sống của đất”, Gan nói.

Những kết quả này phù hợp với những kết quả sử dụng phương pháp phòng thí nghiệm truyền thống, có nghĩa là nền tảng mới này đáng tin cậy. Với thiết bị mới này, Gan đã đề xuất thiết lập một nền tảng thông lượng bán cao tại UConn, để bất kỳ ai trong khu vực có thể đánh giá sức khỏe của đất liên quan đến carbon trong đất với chi phí thấp. Sau đó, một cơ sở dữ liệu có thể được thiết lập để chúng tôi biết tình trạng sức khỏe của đất trong khu vực và bắt đầu hiểu rõ hơn về cách các phương thức canh tác khác nhau ảnh hưởng đến các khía cạnh khác nhau của sức khỏe đất.

Gan nói: “Với kiến thức cơ bản đó, chúng tôi có thể phát triển cách tốt nhất để thực hiện các biện pháp cải tiến. Chúng tôi muốn xem đất có thể hỗ trợ các chức năng khác tốt như thế nào và đánh giá tác động của các biện pháp can thiệp đất khác nhau”.

Gan cũng hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Khoa Công nghệ của UConn để kết hợp các cảm biến nitơ vào mô hình để thu thập nhiều dữ liệu hơn. Biết dòng nitơ có thể giúp xác định các biện pháp giúp quản lý tốt hơn các ứng dụng phân bón nitơ để giảm lượng khí thải oxit nitơ, một loại khí nhà kính mạnh hơn CO₂ khoảng 300 lần. Tại Hoa Kỳ, gần 3/4 lượng khí thải nitơ oxit là từ việc quản lý đất nông nghiệp.

“Chúng tôi đang xây dựng sự tìm hiểu tích hợp về các chức năng khác nhau của đất và tìm ra cách mở rộng quy trình để tạo ra nhiều dữ liệu cho các quyết định quản lý và nghiên cứu thực tế”.

Các quyết định về cách quản lý đất của chúng ta có ý nghĩa đối với biến đổi khí hậu vì khi Gan cầm một mẫu lõi đất có kích thước 2 x 2 inch, cô ấy giải thích rằng 5 trong số các mẫu này tổng cộng chỉ khoảng 500 gam (1,1 lbs) đất chứa khoảng hàm lượng cacbon trong đất 2%. Nếu cùng một lượng đất được quản lý sai và hàm lượng carbon giảm xuống 1%, điều thường thấy ở đất được cày xới thường xuyên, thì lượng CO₂ thải ra sẽ tăng gấp đôi nồng độ CO₂ trong toàn bộ văn phòng của cô ấy.

Gan cho biết: “Thật vậy, việc canh tác trên đất kể từ buổi bình minh của ngành nông nghiệp đã giải phóng hơn 100 tỷ tấn carbon từ đất vào khí quyển. Việc mở rộng sử dụng đất nông nghiệp và làm đất tích cực được kích hoạt bằng máy móc lớn trong canh tác hiện đại đã làm trầm trọng thêm xu hướng mất Carbon từ đất”.

May mắn thay, các biện pháp bảo tồn như sử dụng cây che phủ và giảm lượng đất canh tác có thể giúp khôi phục lượng carbon trong chất hữu cơ của đất.

Gan cho rằng: “Tuy nhiên, chúng tôi biết rằng quá trình cô lập carbon trong đất cũng có giới hạn của nó. Ngay cả khi chúng ta đưa 100 tỷ tấn carbon trở lại vào đất và khôi phục hoàn toàn chất hữu cơ của đất về mức trước khi con người tạo ra, một nhiệm vụ khó khăn, thì nó cũng chỉ bù đắp được một thập kỷ lượng khí thải CO₂ hiện tại từ ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch. Điều quan trọng cần lưu ý là lượng khí thải CO₂ hiện tại từ nhiên liệu hóa thạch là khoảng 37 tỷ tấn CO₂.

“Tuy nhiên, chúng tôi muốn chất hữu cơ trong đất nông nghiệp càng nhiều càng tốt vì chất hữu cơ trong đất cực kỳ quan trọng trong việc duy trì các chức năng của đất trong chu kỳ dinh dưỡng, điều hòa nước, đa dạng sinh học đất để ngăn chặn sâu bệnh, v.v. Bằng cách phát triển các phương pháp hiệu quả về kinh tế để định lượng các chức năng này, chúng tôi hy vọng sẽ đóng góp vào nỗ lực nâng cao nhận thức về sức khỏe của đất và áp dụng các biện pháp nâng cao sức khỏe của đất.

Một cụm từ mà các nhà nông học thường nói là: “`Chúng ta tồn tại nhờ có vài inch đất trên cùng và những cơn mưa không thường xuyên'. Nếu những lớp đất mặt này biến mất do suy thoái hoặc xói mòn, thì hầu như không thể lấy lại được. Đất có phải là nguồn tài nguyên tái tạo không? Câu trả lời hoàn toàn phụ thuộc vào hành động của chúng ta”.

 Theo vista.gov.vn