Carbon trong đất là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm carbon trong đất

Carbon trong đất là tổng lượng carbon được lưu giữ trong các lớp đất dưới dạng hợp chất hữu cơ và vô cơ, bao gồm carbon trong sinh khối vi sinh vật, mùn, vật chất phân hủy và khoáng carbonat. Đây là thành phần quan trọng trong hệ sinh thái đất vì ảnh hưởng trực tiếp đến độ phì, cấu trúc và khả năng giữ nước. Theo FAO, carbon trong đất là một trong những chỉ số cốt lõi phản ánh chất lượng đất và khả năng sản xuất của hệ thống nông nghiệp.

Carbon trong đất đóng vai trò là kho lưu trữ carbon lớn thứ hai trên hành tinh sau đại dương. Đất có thể giữ carbon trong thời gian dài nếu được quản lý bền vững, hoặc giải phóng carbon nhanh chóng vào khí quyển khi bị xáo trộn, canh tác quá mức hoặc bị suy thoái. Vì vậy, carbon trong đất được xem là yếu tố điều tiết quan trọng trong chu trình carbon toàn cầu.

Bảng phân loại cơ bản về carbon trong đất:

Nhóm carbon	Đặc điểm
Hữu cơ	Liên quan đến vật chất sinh học, mùn và hoạt động vi sinh
Vô cơ	Chủ yếu là carbonat canxi, magiê trong đất khô hạn

Các dạng carbon trong đất

Carbon trong đất tồn tại dưới hai dạng chính: carbon hữu cơ (SOC – Soil Organic Carbon) và carbon vô cơ (SIC – Soil Inorganic Carbon). SOC là nguồn carbon dễ biến động, liên quan trực tiếp đến quá trình phân hủy hữu cơ và hoạt động của vi sinh vật. SOC bị ảnh hưởng mạnh bởi khí hậu, loại đất, lượng sinh khối đầu vào và thực hành canh tác.

SIC bao gồm carbonat và các dạng khoáng chứa carbon trong đất. SIC ổn định hơn và phân bố chủ yếu trong các vùng đất khô hạn hoặc bán khô hạn. Mặc dù ít biến động, SIC vẫn có vai trò trong quá trình cân bằng hóa học của đất và trao đổi khí CO₂ ở tầng đất sâu. Cả hai dạng SOC và SIC đều góp phần tạo nên tổng lượng carbon của đất nhưng SOC có vai trò sinh học và môi trường lớn hơn.

Danh sách các dạng SOC quan trọng:

• Carbon trong sinh khối vi sinh vật
• Carbon trong vật chất hữu cơ phân hủy
• Mùn đất (humus)
• Carbon trong rễ cây sống và rễ phân hủy

Nguồn gốc và quá trình hình thành carbon trong đất

Nguồn carbon chủ yếu đến từ sự tích lũy vật chất hữu cơ như lá rụng, cành cây, rễ chết, xác động vật và sản phẩm phân hủy sinh học. Các quá trình quang hợp của thực vật đưa CO₂ từ khí quyển vào hệ thống đất thông qua sinh khối và rễ. Vi sinh vật trong đất phân giải vật chất hữu cơ thành các dạng hợp chất đơn giản hơn, từ đó hình thành SOC trong nhiều cấp độ ổn định khác nhau.

Khả năng tích tụ carbon trong đất chịu ảnh hưởng bởi khí hậu, độ ẩm, loại đất và hình thức sử dụng đất. Đất giàu sét thường giữ carbon tốt hơn đất cát vì sét tạo liên kết bảo vệ carbon khỏi phân hủy nhanh. Các hệ sinh thái có thảm thực vật dày như rừng, đồng cỏ và đất ngập nước có tốc độ tích lũy carbon cao hơn các hệ sinh thái bị canh tác mạnh.

Bảng so sánh mức tích tụ carbon theo hệ sinh thái:

Hệ sinh thái	Mức tích lũy carbon
Rừng	Cao, ổn định dài hạn
Đồng cỏ	Trung bình, phụ thuộc vào mưa và thảm thực vật
Đất canh tác	Thấp, dễ mất carbon nếu cày xới nhiều

Vai trò sinh thái và nông nghiệp của carbon trong đất

Carbon trong đất cải thiện cấu trúc đất bằng cách tăng tính kết dính của các hạt đất, tạo nên các viên đất ổn định giúp đất thoáng khí và dễ giữ nước. SOC đóng vai trò như một nguồn dự trữ chất dinh dưỡng quan trọng, cung cấp năng lượng cho vi sinh vật và hỗ trợ các quá trình sinh học trong đất. Hệ sinh thái đất khỏe mạnh thường có hàm lượng SOC cao và đa dạng vi sinh vật phong phú.

Trong nông nghiệp, carbon trong đất ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng. Đất giàu SOC giữ nước tốt hơn, giảm nhu cầu tưới, cải thiện khả năng giữ phân bón và hạn chế rửa trôi chất dinh dưỡng. Đối với hệ thống canh tác bền vững, việc tăng lượng SOC là mục tiêu quan trọng nhằm nâng cao chất lượng đất, giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học và tăng khả năng chống chịu trước hạn hán.

Một số lợi ích chính của SOC trong sản xuất nông nghiệp:

• Tăng khả năng giữ ẩm
• Cải thiện kết cấu và độ tơi xốp
• Giảm xói mòn và rửa trôi
• Tăng năng suất và chất lượng cây trồng

Chu trình carbon trong đất

Chu trình carbon trong đất mô tả quá trình trao đổi carbon giữa khí quyển, thực vật, đất và sinh vật đất. Carbon đi vào đất thông qua quang hợp và tích tụ trong sinh khối thực vật, sau đó chuyển hóa thành vật chất hữu cơ thông qua quá trình phân hủy. Chính dòng vật chất này tạo nên nền tảng cho sự hình thành carbon hữu cơ trong đất. Khí CO₂ được giải phóng trở lại khí quyển thông qua hô hấp của rễ cây, vi sinh vật và phân hủy hiếu khí.

Một phần carbon được ổn định lâu dài nhờ các cơ chế bảo vệ vật lý, hóa học và sinh học. Ở dạng ổn định, carbon có thể tồn tại trong đất hàng trăm đến hàng nghìn năm, đóng vai trò như một kho carbon tự nhiên. Trong các nghiên cứu khí hậu, lượng carbon lưu giữ dài hạn này được xem là yếu tố ảnh hưởng lớn đến cân bằng carbon toàn cầu và tốc độ nóng lên khí hậu.

Thành phần dòng carbon chính:

• Carbon cố định từ quang hợp
• Carbon từ rễ và vật chất hữu cơ
• Carbon giải phóng qua hô hấp đất
• Carbon ổn định trong mùn và khoáng vật

Các yếu tố ảnh hưởng đến carbon trong đất

Khí hậu là yếu tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến tốc độ tích lũy và phân hủy carbon. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phân giải vật chất hữu cơ, dẫn đến mất carbon nhanh hơn. Độ ẩm là yếu tố điều kiện quan trọng vì nó quyết định hoạt động vi sinh vật và khả năng vận chuyển chất dinh dưỡng. Đất khô hạn thường mất carbon ít hơn nhưng tốc độ tích lũy cũng thấp.

Cấu trúc đất quyết định khả năng bảo vệ carbon khỏi phân hủy. Đất sét có bề mặt hấp phụ lớn giúp bọc lấy các phân tử hữu cơ, làm giảm tốc độ phân giải. Ngược lại, đất cát dễ thoát nước và có độ ổn định kém, khiến carbon mất đi nhanh hơn. Thảm thực vật cũng có vai trò trọng yếu vì cung cấp nguồn carbon trực tiếp thông qua lá, rễ và sinh khối.

Bảng thể hiện tác động của các yếu tố lên carbon đất:

Yếu tố	Tác động
Nhiệt độ	Tăng nhiệt độ làm phân hủy nhanh hơn, giảm SOC
Độ ẩm	Quá khô hoặc quá ướt đều hạn chế tích tụ carbon
Loại đất	Đất sét giữ carbon tốt, đất cát giữ kém
Thảm thực vật	Thảm thực vật dày làm tăng carbon đầu vào

Biện pháp tăng cường carbon trong đất

Tăng carbon trong đất là một chiến lược quan trọng trong nông nghiệp bền vững và giảm phát thải khí nhà kính. Các biện pháp canh tác như giảm xới đất, trồng cây che phủ và luân canh cây trồng giúp tăng lượng vật chất hữu cơ trả lại cho đất. Giảm xới đất giúp giữ ổn định cấu trúc đất và giảm hô hấp đất quá mức, giúp carbon không bị mất đi nhanh.

Việc sử dụng phân hữu cơ, phân xanh và chất thải nông nghiệp giúp tăng hàm lượng carbon hữu cơ. Biện pháp phủ gốc bằng tàn dư thực vật giúp giảm bốc hơi, giảm xói mòn và tăng cường hoạt động của vi sinh vật đất. Ngoài ra, phục hồi đất thoái hóa, trồng rừng và tái tạo hệ sinh thái cũng là các giải pháp hiệu quả lâu dài.

Một số biện pháp phổ biến:

• Canh tác tối thiểu (no-till hoặc reduced tillage)
• Trồng cây che phủ và duy trì thảm thực vật quanh năm
• Ứng dụng phân bón hữu cơ hoặc biochar
• Luân canh cây trồng và đa dạng hóa cây trồng
• Khoanh nuôi, trồng rừng và phục hồi hệ sinh thái

Carbon trong đất và biến đổi khí hậu

Đất là một trong những kho carbon lớn nhất trên bề mặt Trái Đất, chứa nhiều carbon hơn cả khí quyển và sinh khối thực vật cộng lại. Khi đất bị suy thoái, xói mòn hoặc canh tác không bền vững, một phần lớn carbon hữu cơ bị oxy hóa và giải phóng dưới dạng CO₂, góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính. Do đó, quản lý đất hợp lý được xem là chiến lược chủ chốt trong giảm phát thải và thích ứng khí hậu.

Tăng khả năng lưu trữ carbon trong đất giúp giảm áp lực lên khí quyển và tăng tính ổn định của hệ sinh thái. Các chương trình quốc tế như “4 per 1000 Initiative” thúc đẩy tăng 0.4% carbon trong đất mỗi năm nhằm giảm CO₂ trong không khí. Việc liên kết quản lý đất, nông nghiệp tái sinh và chính sách khí hậu là hướng đi được nhiều quốc gia hưởng ứng.

Tác động khí hậu liên quan đến carbon đất:

• Tăng SOC giúp giảm CO₂ khí quyển
• Carbon ổn định giúp duy trì đa dạng sinh học
• Đất khỏe hỗ trợ phục hồi sau thiên tai khí hậu

Phương pháp đo và mô hình hóa carbon trong đất

Đo carbon trong đất thường được thực hiện bằng phương pháp phân tích hóa học. Walkley–Black là phương pháp phổ biến trong phòng thí nghiệm, sử dụng phản ứng oxy hóa ướt để xác định lượng SOC. Các phương pháp tiên tiến hơn như phân tích bằng máy quang phổ hồng ngoại gần (NIR) hoặc quang phổ khối giúp tăng độ chính xác và tốc độ phân tích.

Mô hình hóa carbon trong đất hỗ trợ dự đoán sự biến đổi của SOC và SIC dưới các kịch bản khí hậu, quản lý đất và thay đổi sử dụng đất. Các mô hình như CENTURY, RothC và DNDC được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu nông nghiệp và khí hậu. Những mô hình này mô phỏng chu trình carbon dựa trên các tham số như khí hậu, vi sinh vật, cấu trúc đất và lượng chất hữu cơ đầu vào.

Bảng mô hình phổ biến:

Mô hình	Ứng dụng
CENTURY	Mô phỏng chu trình carbon dài hạn
RothC	Mô phỏng SOC trong điều kiện ôn đới
DNDC	Mô phỏng khí thải N₂O, CH₄ và carbon trong đất

Tài liệu tham khảo

• FAO. Soil Organic Carbon and Sustainable Land Management. https://www.fao.org
• IPCC. Climate Change and Land. https://www.ipcc.ch
• USDA. Soil Carbon Research Program. https://www.usda.gov
• European Soil Data Centre (ESDAC). Soil Carbon Monitoring. https://esdac.jrc.ec.europa.eu