Carbon hữu cơ trong đất là gì? Các bài nghiên cứu khoa học

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Carbon hữu cơ trong đất (Soil Organic Carbon – SOC) là thành phần carbon có nguồn gốc từ sinh vật sống từng tồn tại trong đất hoặc đang phân hủy, bao gồm rễ cây, vi sinh vật, xác thực vật và các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ chúng. SOC là phần quan trọng nhất của chất hữu cơ trong đất (Soil Organic Matter – SOM), chiếm từ 45% đến 60% khối lượng của SOM. Đây là một chỉ số chính đánh giá chất lượng đất, khả năng tích lũy dinh dưỡng, giữ nước và hỗ trợ các quá trình sinh học.

SOC không tồn tại ở dạng nguyên tố tự do mà luôn kết hợp với các hợp chất hữu cơ như axit humic, lignin, protein, carbohydrate phức. Giá trị SOC trong đất thường được biểu thị dưới dạng phần trăm trọng lượng (% khối lượng đất khô) hoặc dưới dạng khối lượng tấn carbon trên mỗi hecta (t C/ha). Mức SOC khác nhau rất nhiều theo loại đất, thảm thực vật, điều kiện khí hậu và cách quản lý đất, ví dụ:

Hàm lượng SOC là yếu tố then chốt trong đánh giá tiềm năng tích trữ carbon, khả năng giảm phát thải CO₂ và là chỉ báo trực tiếp của chất lượng sinh học đất. Các phương pháp xác định SOC bao gồm: đốt mẫu khô trong môi trường oxy hạn chế (Walkley-Black), phân tích quang phổ hồng ngoại gần (NIRS), và các công nghệ cảm biến đất.

Vai trò trong chu trình carbon toàn cầu

Đất là một trong những bể chứa carbon lớn nhất trên Trái Đất, với khoảng 1.500–1.600 gigatonnes (Gt) carbon nằm trong dạng SOC, so với khoảng 830 Gt trong khí quyển và 560 Gt trong sinh khối thực vật. Điều này có nghĩa là SOC đóng vai trò điều tiết dòng carbon giữa đất, khí quyển và sinh vật sống. Việc mất đi hoặc tăng thêm SOC đều có ảnh hưởng trực tiếp đến mức CO₂ trong khí quyển và do đó tác động đến biến đổi khí hậu toàn cầu.

Sự phân hủy chất hữu cơ trong đất sẽ giải phóng CO₂ thông qua hoạt động hô hấp vi sinh vật, trong khi tích tụ SOC thông qua quá trình cố định carbon (carbon sequestration) từ sinh khối thực vật có thể làm giảm lượng CO₂ tự do. Khả năng của đất trong việc lưu giữ carbon lâu dài phụ thuộc vào cấu trúc đất, điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và độ ổn định của các phân tử hữu cơ gắn kết với khoáng vật.

• Đất nông nghiệp thoái hóa có thể mất đến 20–50% SOC so với trạng thái nguyên sinh
• Việc phục hồi đất thông qua trồng cây che phủ, bón phân hữu cơ và giảm xới đất giúp tăng SOC
• Quản lý tốt đất có thể đóng góp 2–5 Gt CO₂eq/năm vào các giải pháp khí hậu tự nhiên

Theo nghiên cứu của Lal et al., chỉ cần tăng SOC trung bình 0,4% mỗi năm toàn cầu (sáng kiến “4 per 1000”) cũng có thể bù đắp phần lớn lượng phát thải khí nhà kính do con người tạo ra.

Chức năng trong độ phì nhiêu và cấu trúc đất

SOC đóng vai trò trung tâm trong việc cải thiện và duy trì độ phì nhiêu đất. Carbon hữu cơ là nguồn năng lượng và nguyên liệu chính cho hoạt động của vi sinh vật đất – những sinh vật tham gia vào quá trình khoáng hóa, cố định nitơ và phân giải các chất hữu cơ thành dạng cây trồng có thể hấp thụ được. Khi SOC cao, quá trình giải phóng dưỡng chất như N, P, K trở nên ổn định và hiệu quả hơn.

Bên cạnh vai trò dinh dưỡng, SOC còn tác động lớn đến đặc tính vật lý của đất. Nó giúp hình thành cấu trúc viên đất bền vững, tăng khả năng giữ nước, giảm xói mòn và cải thiện khả năng trao đổi khí. Sự gắn kết giữa các hạt sét và vật chất hữu cơ giúp đất thông thoáng hơn, đặc biệt là trong các hệ canh tác có can thiệp bảo tồn.

Theo tỷ lệ lý tưởng, hàm lượng SOC nên chiếm khoảng 1,5–3% trong đất khoáng để duy trì năng suất canh tác cao. Một số mối quan hệ đáng chú ý gồm:

• 1% SOC có thể giữ thêm 25.000–30.000 lít nước/ha
• Mỗi 0,1% tăng SOC giúp tăng 5–10 kg N/ha/năm qua khoáng hóa
• SOC cao giúp tăng hoạt tính enzyme và mật độ vi sinh vật đất

Ngoài ra, SOC là nền tảng cho sự phát triển của hệ vi sinh đất đa dạng – bao gồm vi khuẩn cố định đạm, nấm mycorrhizae và động vật nguyên sinh – đóng vai trò như một “mạng lưới sống” duy trì cân bằng sinh học trong đất.

Phân loại và phân đoạn SOC

SOC không đồng nhất về mặt cấu trúc và tốc độ phân hủy. Các nhà khoa học phân loại SOC thành nhiều phân đoạn khác nhau dựa trên thời gian tồn tại và mức độ ổn định sinh học. Có ba nhóm chính:

1. Carbon hoạt động nhanh (Labile carbon): Bao gồm các hợp chất dễ phân hủy như đường, protein, và axit hữu cơ. Vòng đời dưới 1 năm.
2. Carbon ổn định (Humic substances): Gồm lignin, humin, humic acid. Tồn tại vài năm đến hàng chục năm.
3. Carbon siêu bền (Mineral-associated organic carbon): Gắn với khoáng sét, tồn tại hàng thế kỷ.

Các phân đoạn này phản ánh khả năng lưu trữ carbon dài hạn của đất. Phân đoạn humus thường chiếm phần lớn SOC trong đất ổn định, trong khi carbon hoạt động nhanh chủ yếu tập trung ở tầng mặt, dễ bị thất thoát

Tính ổn định và các yếu tố ảnh hưởng đến SOC

Tính ổn định của carbon hữu cơ trong đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật lý, hóa học và sinh học. Các hợp chất hữu cơ có thể được giữ lại trong đất thông qua ba cơ chế chính: kết tụ vật lý, gắn kết với bề mặt khoáng và kết tủa hóa học. Trong số đó, dạng carbon gắn với hạt khoáng mịn (như sét và oxit sắt) có độ bền cao nhất và thường tồn tại hàng trăm năm. Đây là phân đoạn gọi là MAOC (Mineral-Associated Organic Carbon).

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hàm lượng và ổn định SOC bao gồm:

• Loại đất: đất sét thường giữ SOC tốt hơn đất cát do diện tích bề mặt lớn và khả năng giữ ẩm tốt
• Khí hậu: nhiệt độ cao và độ ẩm cao thúc đẩy phân hủy hữu cơ, làm giảm SOC
• Thực vật: loài cây trồng khác nhau cung cấp lượng và chất hữu cơ vào đất khác nhau
• Quản lý đất: canh tác liên tục, xới đất quá mức và đốt rơm rạ làm mất SOC nhanh chóng

Trong môi trường yếm khí (như đất ngập nước, đất than bùn), tốc độ phân hủy hữu cơ chậm lại, dẫn đến sự tích lũy SOC cao. Ngược lại, các vùng khô hạn hoặc đất bị nén chặt kém thông khí cũng làm giảm hoạt động vi sinh, dẫn đến SOC ổn định nhưng năng suất thấp.

Đo lường và mô hình hóa SOC

Đo lường chính xác SOC là thách thức lớn do sự biến thiên theo không gian, chiều sâu và mùa vụ. Các phương pháp đo phổ biến gồm:

1. Walkley–Black (phương pháp ướt): sử dụng crom để oxy hóa carbon – đơn giản nhưng không đo được toàn bộ SOC.
2. Dry combustion (đốt khô): đo chính xác tổng carbon bằng máy phân tích CHN – chuẩn vàng hiện nay.
3. Cảm biến phổ cận hồng ngoại (NIR/MIR): cho kết quả nhanh, không phá mẫu nhưng cần hiệu chuẩn.

Để mô phỏng sự biến đổi SOC theo thời gian, các mô hình động học được sử dụng như RothC, Century, DNDC. Những mô hình này chia SOC thành các bể chứa có tốc độ phân hủy khác nhau và sử dụng đầu vào từ dữ liệu thực vật, khí hậu, và canh tác để dự báo biến động SOC.

Theo nghiên cứu đăng trên Geoderma, việc kết hợp mô hình hóa và dữ liệu cảm biến từ xa (remote sensing) giúp tăng độ chính xác trong lập bản đồ SOC trên quy mô quốc gia và toàn cầu.

Biến động theo độ sâu và sử dụng đất

Hàm lượng SOC phân bố không đồng đều theo chiều sâu. Thông thường, khoảng 50–70% SOC tập trung ở lớp đất mặt 0–30 cm, nơi rễ cây và xác thực vật phân hủy tích tụ. Tuy nhiên, tầng đất sâu hơn vẫn giữ một lượng SOC đáng kể, đặc biệt là trong hệ sinh thái có rễ ăn sâu như rừng tự nhiên hoặc đồng cỏ lâu năm.

Việc xới đất sâu, khai hoang hoặc sử dụng máy cày sâu thường làm phá vỡ kết cấu và tăng tốc độ phân hủy SOC ở tầng dưới. Trong khi đó, hệ canh tác không xới (no-till) và nông nghiệp tái sinh (regenerative agriculture) giúp giữ nguyên cấu trúc đất và duy trì SOC tầng sâu.

Hiểu rõ phân bố theo chiều sâu giúp đưa ra chiến lược quản lý hiệu quả để khôi phục và duy trì SOC bền vững.

Vai trò trong giảm phát thải và thích ứng khí hậu

SOC được công nhận là một trong những cơ chế then chốt trong việc giảm thiểu và thích ứng với biến đổi khí hậu. Bằng cách tăng hàm lượng SOC, ta không chỉ cô lập CO₂ trong đất mà còn cải thiện năng suất nông nghiệp, tăng khả năng giữ nước và giảm thiểu rủi ro thiên tai như hạn hán và xói mòn.

Các thực hành nông nghiệp hỗ trợ tích lũy SOC bao gồm:

• Canh tác không xới (no-till, reduced tillage)
• Trồng cây che phủ, cây phủ xanh
• Luân canh cây trồng, tích hợp cây lâu năm
• Bón phân hữu cơ, sử dụng phân compost và biochar

Việc đưa SOC vào chiến lược khí hậu quốc gia đã được nhiều nước triển khai, ví dụ như Pháp với sáng kiến “4 per 1000” hay Australia với hệ thống tín chỉ carbon đất nông nghiệp. Mỗi tấn CO₂eq cố định thông qua tăng SOC đều có thể được định giá và giao dịch trên thị trường carbon tự nguyện.

Tóm tắt ngắn gọn

Carbon hữu cơ trong đất là phần cốt lõi của chất hữu cơ, đóng vai trò trung tâm trong chu trình carbon, duy trì độ phì nhiêu, và giảm nhẹ biến đổi khí hậu. Quản lý đất hiệu quả và chính sách hỗ trợ bảo tồn SOC là chiến lược bền vững để cải thiện môi trường và đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.