Hiệu quả sử dụng nitơ là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Hiệu quả Sử dụng Nitơ

Hiệu quả sử dụng nitơ (NUE – Nitrogen Use Efficiency) là một chỉ số nông học thể hiện khả năng của cây trồng trong việc hấp thu, chuyển hóa và sử dụng nitơ để tạo ra năng suất kinh tế hoặc sinh khối. Đây là một thông số tổng hợp phản ánh mức độ tương tác giữa cây trồng, đất và biện pháp canh tác liên quan đến quản lý dinh dưỡng. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, suy thoái đất và yêu cầu tăng năng suất bền vững, NUE trở thành chỉ số trung tâm trong các chiến lược nông nghiệp thông minh.

Theo định nghĩa phổ quát được chấp nhận bởi FAO và các tổ chức nghiên cứu nông nghiệp quốc tế, NUE cho biết phần trăm nitơ đầu vào (từ phân bón hoặc nguồn tự nhiên) được cây trồng hấp thụ và chuyển hóa thành sản phẩm. Phần còn lại thường bị tổn thất qua bay hơi, rửa trôi, cố định trong đất hoặc mất đi dưới dạng khí nhà kính. NUE càng cao thì hiệu quả kinh tế, môi trường và sinh học của hệ thống canh tác càng tốt.

Dữ liệu thực tế cho thấy NUE ở nhiều hệ thống canh tác hiện nay chỉ đạt 30–50%, tức là hơn một nửa lượng phân đạm bón vào không được cây sử dụng hiệu quả. Điều này gây lãng phí tài nguyên và tạo ra hệ quả môi trường nghiêm trọng như ô nhiễm nitrate nước ngầm và phát thải khí N₂O – một loại khí nhà kính mạnh gấp 298 lần CO₂.

Các thành phần của NUE

NUE không phải là một chỉ số đơn lẻ mà là tổ hợp của hai thành phần chính:

• Hiệu quả hấp thụ nitơ (N Uptake Efficiency – NUpE): phản ánh khả năng của rễ cây trong việc lấy nitơ từ đất hoặc dung dịch dinh dưỡng.
• Hiệu quả sử dụng nội tại (N Utilization Efficiency – NUtE): đo lường khả năng chuyển hóa nitơ đã hấp thụ thành vật chất khô hoặc sản phẩm có giá trị (như hạt, củ, lá).

Mối quan hệ giữa các thành phần này được mô tả bởi công thức: $NUE = NUpE \times NUtE$

NUpE phụ thuộc vào hiệu quả phát triển hệ rễ, khả năng hòa tan và di động của nitơ trong đất, cấu trúc đất và chế độ tưới. Trong khi đó, NUtE bị ảnh hưởng bởi đặc điểm di truyền của cây trồng, cơ chế đồng hóa nitơ và hiệu suất quang hợp. Cải thiện cả hai yếu tố này là chìa khóa để tăng NUE một cách toàn diện.

Bảng dưới đây minh họa sự khác biệt giữa NUpE và NUtE ở hai giống ngô (giả định):

Giống ngô	NUpE (%)	NUtE (kg hạt/kg N hấp thụ)	NUE tổng thể
Ngô A	55%	35	19.25
Ngô B	40%	50	20.00

Dù giống B hấp thụ ít nitơ hơn, khả năng chuyển hóa cao giúp tổng hiệu quả NUE cao hơn. Điều này minh họa rằng chiến lược cải thiện NUE cần có cách tiếp cận cân bằng cả ở mức hấp thu và chuyển hóa.

Ý nghĩa sinh học và nông học

Nitơ là nguyên tố thiết yếu trong hầu hết các quá trình sống của cây trồng. Nó là thành phần cấu tạo của amino acid, protein, acid nucleic (DNA/RNA) và các coenzyme quan trọng. Nitơ còn đóng vai trò trong quá trình tổng hợp diệp lục và điều tiết hoạt động quang hợp, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sinh trưởng và năng suất cây trồng.

Tuy nhiên, nitơ cũng là nguyên tố dễ bị thất thoát trong môi trường. Quá trình biến đổi sinh học như nitrat hóa, khử nitrat, bay hơi ammoniac và rửa trôi nitrate có thể làm mất đi hơn một nửa lượng N trong đất. Do đó, NUE không chỉ là thước đo hiệu quả kinh tế mà còn là chỉ số môi trường quan trọng.

Lợi ích nông học khi tăng NUE:

• Giảm chi phí phân bón – chiếm 15–30% tổng chi phí sản xuất.
• Ổn định năng suất trong điều kiện biến động thời tiết và đất đai.
• Tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên đầu vào và giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học nhập khẩu.

Các chương trình cải tiến giống cây trồng hiện đại thường tích hợp chỉ số NUE làm một trong những tiêu chí chính khi đánh giá dòng lai hoặc dòng thuần mới.

Phương pháp tính NUE

NUE có thể được tính theo nhiều cách khác nhau, tùy vào mục tiêu nghiên cứu và thực hành. Ba chỉ số phổ biến nhất là:

• NUE phục hồi (Recovery Efficiency): $NUE_{recovery} = \frac{N_{uptake}^{fertilized} - N_{uptake}^{unfertilized}}{N_{applied}}$
• NUE nông học (Agronomic Efficiency): $NUE_{agronomic} = \frac{Y^{fertilized} - Y^{unfertilized}}{N_{applied}}$
• NUE sinh lý (Physiological Efficiency): $NUE_{physiological} = \frac{Y^{fertilized} - Y^{unfertilized}}{N_{uptake}^{fertilized} - N_{uptake}^{unfertilized}}$

Trong đó:

• $Y$: năng suất cây trồng
• $N_{applied}$: lượng N bón vào
• $N_{uptake}$: lượng N cây hấp thụ được

Việc chọn phương pháp tính phụ thuộc vào dữ liệu thực địa, mức độ kiểm soát thí nghiệm và mục tiêu cuối cùng (đánh giá hiệu quả kinh tế, hiệu quả môi trường hay sinh lý học). Để có cái nhìn toàn diện, nên kết hợp các chỉ số này khi phân tích dữ liệu từ các mô hình canh tác thực tiễn.

Yếu tố ảnh hưởng đến NUE

Hiệu quả sử dụng nitơ (NUE) bị chi phối bởi nhiều yếu tố sinh học, môi trường và kỹ thuật canh tác. Mỗi yếu tố có thể ảnh hưởng riêng lẻ hoặc tương tác với nhau, tác động đến cả quá trình hấp thu và chuyển hóa nitơ.

Các yếu tố chính bao gồm:

• Giống cây trồng: Di truyền đóng vai trò quyết định đến khả năng phát triển hệ rễ, tốc độ hấp thu, chuyển hóa và lưu trữ nitơ. Một số giống ngô, lúa, lúa mì hiện đại được lai tạo đặc biệt để có NUE cao hơn giống truyền thống.
• Loại phân bón: Nitơ có thể tồn tại dưới dạng amoni ($NH_4^+$), nitrat ($NO_3^-$), ure hoặc dạng hữu cơ. Mỗi dạng có tốc độ hòa tan, khả năng di động và thời gian tồn lưu khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian và vị trí cây hấp thu.
• Điều kiện đất: Độ pH ảnh hưởng đến dạng tồn tại của nitơ; đất quá chua làm tăng mất nitơ qua bay hơi. Đất có cấu trúc kém, giữ nước kém hoặc quá chặt sẽ hạn chế khả năng phát triển rễ và hấp thu dinh dưỡng.
• Vi sinh vật đất: Sự có mặt của vi khuẩn cố định đạm, cộng sinh rễ như Rhizobium, Azospirillum, hoặc nấm rễ arbuscular mycorrhizae (AM) làm tăng khả năng cung cấp nitơ và cải thiện hiệu quả sử dụng.

Bảng dưới đây trình bày ảnh hưởng tổng quát của các yếu tố đến từng thành phần NUE:

Yếu tố	Ảnh hưởng đến NUpE	Ảnh hưởng đến NUtE
Giống cây trồng	Phát triển rễ, tương tác vi sinh	Tốc độ đồng hóa và phân bố N
Loại phân bón	Tốc độ hòa tan và hấp thu	Thời gian cung cấp N hiệu quả
Đất và pH	Khả năng trao đổi cation, khử độc	Ảnh hưởng enzym sử dụng N
Vi sinh vật	Huy động N dạng khó tiêu	Kích hoạt enzyme nitrogenase, glutamine synthetase

Các chiến lược nâng cao NUE

Tối ưu hóa NUE đòi hỏi chiến lược đa chiều, kết hợp giữa cải tiến giống, cải tiến kỹ thuật canh tác và áp dụng công nghệ cao. Một số chiến lược cụ thể đang được triển khai tại nhiều quốc gia:

• Nguyên tắc “4 đúng”: đúng loại phân, đúng liều lượng, đúng thời điểm và đúng phương pháp bón giúp giảm thất thoát nitơ và cải thiện khả năng hấp thu. Bón phân theo từng giai đoạn sinh trưởng thay vì bón một lần duy nhất có thể tăng NUE 10–25%.
• Sử dụng phân bón giải phóng chậm: như ure bọc polymer hoặc ure có chất ức chế urease giúp nitơ tồn tại lâu hơn trong đất và khớp với nhu cầu hấp thu của cây.
• Luân canh cây họ đậu: các cây như đậu nành, đậu phộng, keo dậu có khả năng cố định đạm sinh học nhờ cộng sinh vi khuẩn Rhizobium, giúp cải thiện tổng lượng nitơ sẵn có trong đất mà không cần tăng phân đạm hóa học.
• Ứng dụng nông nghiệp chính xác: cảm biến dinh dưỡng, hình ảnh vệ tinh, bản đồ năng suất và hệ thống GPS cho phép bón phân theo vùng thiếu hụt thực tế thay vì bón đồng loạt.

Tham khảo chiến lược toàn diện tại International Plant Nutrition Institute (IPNI), nơi cung cấp hướng dẫn kỹ thuật và dữ liệu nghiên cứu toàn cầu về NUE.

Tác động môi trường liên quan đến NUE

Hiệu quả sử dụng nitơ thấp là nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm môi trường từ nông nghiệp. Khi cây không sử dụng hết nitơ, phần dư thừa bị rửa trôi xuống nước ngầm dưới dạng nitrate, gây nguy cơ phú dưỡng hóa (eutrophication) và độc hại cho sức khỏe con người khi nồng độ vượt ngưỡng an toàn.

Ngoài ra, quá trình khử nitrat và phân hủy nitơ trong đất tạo ra khí N₂O, một loại khí nhà kính mạnh gấp 298 lần CO₂. Theo IPCC, nông nghiệp là nguồn phát thải N₂O lớn nhất toàn cầu và cải thiện NUE là giải pháp cốt lõi để giảm phát thải này.

Các hình thức mất nitơ:

• Bay hơi NH₃: phổ biến khi bón ure trên mặt đất khô hoặc pH cao
• Rửa trôi NO₃⁻: tăng mạnh trong mùa mưa hoặc tưới dư thừa
• Khử nitrat: tạo N₂O trong điều kiện yếm khí như đất lúa

Kiểm soát các hình thức này giúp bảo vệ môi trường và duy trì tính bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp.

Vai trò trong an ninh lương thực

Nâng cao NUE không chỉ có ý nghĩa về kỹ thuật mà còn là một giải pháp chiến lược trong đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu. Theo phân tích của Nature (2019), nếu hiệu quả sử dụng nitơ toàn cầu tăng từ 40% lên 70%, sản lượng lương thực có thể tăng thêm 30% mà không cần mở rộng diện tích đất canh tác hoặc tăng lượng phân bón hóa học.

Tại các quốc gia đang phát triển, nơi nông dân phụ thuộc nhiều vào phân bón nhưng thiếu khả năng điều chỉnh kỹ thuật canh tác, việc nâng cao NUE giúp giảm chi phí đầu vào và tăng lợi nhuận ròng. Đồng thời, tăng năng suất thông qua sử dụng dinh dưỡng hiệu quả là lựa chọn ưu tiên hơn so với mở rộng đất nông nghiệp – vốn dẫn đến phá rừng và mất đa dạng sinh học.

Một số chương trình quốc tế hiện đang tài trợ nghiên cứu NUE như:

• HarvestPlus và CGIAR (cải tiến giống lúa mì, gạo giàu NUE)
• GIZ và FAO (phát triển kỹ thuật nông nghiệp bền vững)
• Global Partnership on Nutrient Management (UNEP)

Kết luận

Hiệu quả sử dụng nitơ (NUE) là một chỉ số nông học có ý nghĩa rộng lớn, từ mức độ hấp thu vi mô trong cây trồng đến tác động vĩ mô lên hệ sinh thái và an ninh lương thực. Tăng NUE không chỉ giúp cải thiện năng suất và lợi nhuận, mà còn góp phần giảm phát thải, bảo vệ tài nguyên và phát triển nông nghiệp bền vững.

Để đạt được điều đó, cần một cách tiếp cận tổng hợp: chọn giống phù hợp, áp dụng kỹ thuật bón phân chính xác, cải thiện hệ sinh thái đất và có các chính sách hỗ trợ hiệu quả. NUE chính là cầu nối giữa khoa học đất, sinh lý cây trồng và các mục tiêu phát triển xanh trong thế kỷ 21.