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

Khái niệm hiệu suất sử dụng nitơ

Hiệu suất sử dụng nitơ (Nitrogen Use Efficiency – NUE) là chỉ số đo lường hiệu quả chuyển hóa nguồn phân bón nitơ (N) thành năng suất kinh tế ở cây trồng hoặc đầu ra hữu ích trong hệ sinh thái nông nghiệp. NUE phản ánh khả năng cây trồng sử dụng nitơ một cách hiệu quả nhất để phát triển, tạo sinh khối, hình thành hạt hoặc sản phẩm nông nghiệp thương phẩm.

Nitơ là nguyên tố thiết yếu trong sinh trưởng thực vật, tham gia cấu tạo axit amin, protein, enzym, diệp lục và vật chất di truyền. Tuy nhiên, không phải toàn bộ lượng nitơ bón vào đều được cây hấp thụ. Một phần đáng kể có thể bị rửa trôi, bốc hơi dưới dạng khí hoặc cố định vào dạng khó hấp thụ. NUE là thước đo tổng hợp đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của việc sử dụng nitơ.

Có nhiều cách biểu diễn NUE tùy vào mục tiêu nghiên cứu hoặc ứng dụng. Tuy nhiên, công thức cơ bản được sử dụng phổ biến nhất là:

$NUE = \frac{\text{Năng suất cây trồng (kg/ha)}}{\text{Lượng nitơ bón vào (kg/ha)}}$

Nếu NUE = 40%, điều này có nghĩa là 40% lượng nitơ bón vào đã được cây trồng chuyển hóa thành năng suất kinh tế, còn lại 60% có thể thất thoát hoặc không được sử dụng hiệu quả. Mức NUE lý tưởng phụ thuộc vào loại cây trồng, điều kiện canh tác và chiến lược quản lý dinh dưỡng tổng thể.

Các thành phần cấu thành hiệu suất sử dụng nitơ

NUE là chỉ số tổng hợp có thể được phân tách thành các thành phần nhỏ hơn để phân tích chi tiết hơn về hiệu quả sinh học và hiệu quả quản lý. Hai cấu phần chính thường được sử dụng là hiệu quả hấp thụ nitơ và hiệu quả sinh lý sử dụng nitơ. Cách tiếp cận này giúp xác định "nút thắt" trong chuỗi sử dụng nitơ của cây trồng.

• Hiệu quả hấp thụ nitơ (N Uptake Efficiency – NUpE): Đo lường tỷ lệ nitơ mà cây trồng hấp thụ từ tổng lượng nitơ bón vào đất.
• Hiệu quả sinh lý sử dụng nitơ (N Physiological Efficiency – NPE): Phản ánh khả năng cây trồng chuyển đổi nitơ đã hấp thụ thành sinh khối hoặc sản phẩm hữu ích.

Công thức biểu diễn NUE theo hai thành phần trên:

$NUE = NUpE \times NPE$

Bảng dưới đây tóm tắt ba chỉ số phổ biến liên quan đến NUE:

Chỉ số	Công thức	Ý nghĩa
NUE	$\frac{\text{Năng suất}}{\text{N bón vào}}$	Hiệu quả sử dụng tổng thể
NUpE	$\frac{\text{N hấp thụ}}{\text{N bón vào}}$	Khả năng hấp thu từ đất
NPE	$\frac{\text{Năng suất}}{\text{N hấp thụ}}$	Khả năng chuyển hóa thành sinh khối

Tầm quan trọng của hiệu suất sử dụng nitơ trong nông nghiệp

Nitơ là nguyên tố chiếm tỷ lệ lớn trong phân bón vô cơ, đặc biệt là phân urê, amoni nitrat, DAP... Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng thực tế tại nhiều vùng canh tác còn thấp. Theo FAO, trong điều kiện bình thường chỉ khoảng 30–50% lượng nitơ được cây hấp thụ. Phần còn lại bị mất qua rửa trôi, bay hơi, hoặc bị chuyển hóa thành các dạng không sử dụng được.

Hiệu suất nitơ thấp đồng nghĩa với việc nông dân phải bón nhiều hơn để đạt cùng mức năng suất, dẫn đến tăng chi phí sản xuất và gây lãng phí tài nguyên. Đồng thời, nitơ dư thừa còn là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, như hiện tượng phú dưỡng ở sông hồ, ô nhiễm nitrat trong nước ngầm và phát thải khí nhà kính như N₂O – một loại khí có tiềm năng gây nóng gấp 300 lần CO₂.

Tăng NUE không chỉ giúp tăng lợi nhuận mà còn là yếu tố then chốt để phát triển nông nghiệp bền vững. Nó cũng liên quan trực tiếp đến khả năng đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu trong bối cảnh dân số tăng nhanh và biến đổi khí hậu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng nitơ

Hiệu suất sử dụng nitơ chịu ảnh hưởng bởi hàng loạt yếu tố sinh học, môi trường và kỹ thuật canh tác. Việc xác định đúng nguyên nhân ảnh hưởng sẽ giúp định hướng giải pháp nâng cao NUE phù hợp với điều kiện địa phương.

• Giống cây trồng: Một số giống có bộ rễ khỏe, khả năng cố định đạm tốt hoặc chuyển hóa nitơ hiệu quả hơn.
• Phân bón và phương pháp bón: Loại phân bón (dạng NO₃⁻, NH₄⁺, ure...), cách bón (rải mặt, chôn sâu, nhỏ giọt) đều ảnh hưởng đến mức thất thoát và hấp thu.
• Thời điểm bón: Bón đúng giai đoạn sinh trưởng sẽ giúp cây hấp thu tối ưu, tránh dư thừa hoặc thiếu hụt cục bộ.
• Điều kiện đất đai: pH đất, độ ẩm, độ mùn và khả năng giữ nước ảnh hưởng đến khả năng giữ nitơ và mức hoạt động của vi sinh vật.
• Khí hậu và thời tiết: Mưa lớn có thể gây rửa trôi nitơ, nhiệt độ cao thúc đẩy bay hơi NH₃ hoặc làm tăng tốc độ khoáng hóa.

Bảng tổng hợp dưới đây minh họa một số yếu tố chính:

Yếu tố	Ảnh hưởng đến NUE
Giống cây	Quyết định khả năng hấp thụ và chuyển hóa N
Loại phân	Ảnh hưởng dạng nitơ hấp thu được (NH₄⁺, NO₃⁻...)
Thời điểm bón	Liên quan đến nhu cầu dinh dưỡng theo giai đoạn
Độ ẩm đất	Ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật và rửa trôi

Phương pháp đo lường hiệu suất sử dụng nitơ

Hiệu suất sử dụng nitơ có thể được đo lường thông qua nhiều chỉ số khác nhau tùy vào mức độ phân tích và mục tiêu nghiên cứu. Ngoài công thức NUE tổng quát, các nhà khoa học và kỹ sư nông nghiệp thường sử dụng các chỉ số như hiệu suất nông học, hiệu suất thu hồi, và hiệu suất sinh lý để phân tích chi tiết các khâu sử dụng nitơ trong cây trồng.

• Hiệu suất nông học (Agronomic Efficiency – AE): Đo lượng năng suất gia tăng thu được trên mỗi kg nitơ bón thêm vào.
• Hiệu suất thu hồi (Recovery Efficiency – RE): Đo phần trăm lượng nitơ bón được cây hấp thu thực sự so với không bón.
• Hiệu suất sinh lý (Physiological Efficiency – PE): Đánh giá khả năng cây chuyển hóa nitơ đã hấp thu thành năng suất.

Các công thức tính thường dùng:

$AE = \frac{Y_f - Y_0}{F}$

$RE = \frac{N_f - N_0}{F}$

Trong đó:

• $Y_f$: năng suất thu được khi có bón nitơ
• $Y_0$: năng suất không bón nitơ
• $F$: lượng nitơ bón
• $N_f$: lượng nitơ cây hấp thu khi có bón
• $N_0$: lượng nitơ cây hấp thu khi không bón

Để có dữ liệu chính xác hơn, các nghiên cứu tiên tiến sử dụng đồng vị ổn định như ¹⁵N để theo dõi nguồn gốc nitơ trong cây. Ngoài ra, các cảm biến quang học, camera đa phổ, hoặc hệ thống theo dõi từ xa (remote sensing) cũng được ứng dụng trong đo lường NUE theo thời gian thực.

Chiến lược cải thiện hiệu suất sử dụng nitơ

Nâng cao hiệu suất sử dụng nitơ đòi hỏi một cách tiếp cận tổng hợp, trong đó kết hợp đồng thời các yếu tố giống, phân bón, quản lý đất, kỹ thuật canh tác và công nghệ số. Nhiều sáng kiến quốc tế đã chứng minh hiệu quả của những chiến lược này trong việc vừa tăng năng suất vừa giảm phát thải.

Các biện pháp điển hình bao gồm:

• Chọn giống có hiệu quả sử dụng nitơ cao: Nhờ bộ rễ sâu, khả năng hấp thụ mạnh hoặc hoạt động cố định đạm tốt hơn.
• Bón phân theo nguyên tắc 4R: Đúng loại (Right source), đúng liều lượng (Right rate), đúng thời điểm (Right time), đúng vị trí (Right place).
• Sử dụng phân bón kiểm soát nhả chậm: Giúp giải phóng nitơ theo nhu cầu cây, hạn chế thất thoát.
• Áp dụng công nghệ nông nghiệp chính xác (Precision Agriculture): Dùng cảm biến, vệ tinh, máy bay không người lái để quản lý bón phân vi mô theo từng khu vực đồng ruộng.

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng bón phân chia theo nhiều đợt kết hợp với tưới nhỏ giọt có thể tăng NUE lên tới 70–80% trong điều kiện khô hạn hoặc đất kém màu.

Hiệu suất sử dụng nitơ và môi trường

Nitơ dư thừa không hấp thu sẽ theo nước mưa rửa trôi xuống tầng đất sâu, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm dưới dạng ion NO₃⁻. Trong môi trường yếm khí, nitrat có thể bị khử tạo thành khí nitơ oxit (N₂O), là một trong ba loại khí nhà kính chính hiện nay. N₂O có tiềm năng làm nóng toàn cầu cao gấp ~298 lần CO₂ và có vòng đời kéo dài trong khí quyển.

Hiệu suất sử dụng nitơ càng thấp thì lượng nitơ dư thừa càng lớn, kéo theo hệ quả:

• Gây phú dưỡng thủy vực, làm suy giảm đa dạng sinh học
• Ô nhiễm nitrat trong nước uống, gây ảnh hưởng sức khỏe con người
• Góp phần vào biến đổi khí hậu toàn cầu thông qua phát thải N₂O

Theo EPA, nông nghiệp là nguồn phát thải N₂O lớn nhất tại Mỹ, chủ yếu đến từ phân bón và chất thải động vật.

Mối liên hệ giữa hiệu suất sử dụng nitơ và an ninh lương thực

Khi dân số toàn cầu vượt mốc 8 tỷ, nhu cầu về lương thực đang gia tăng trong khi diện tích đất canh tác ngày càng hạn chế. Trong bối cảnh đó, nâng cao hiệu suất sử dụng phân bón là chiến lược bắt buộc để tăng sản lượng mà không cần mở rộng đất trồng.

Ví dụ: Nếu tăng NUE từ 40% lên 60%, với cùng một lượng phân bón, có thể tăng thêm tới 20–30% sản lượng. Điều này không chỉ giảm gánh nặng chi phí cho nông dân mà còn tăng khả năng tự chủ lương thực quốc gia.

Các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ và Brazil đã triển khai nhiều chương trình quốc gia nhằm tối ưu hóa sử dụng phân bón, giảm nhập khẩu và thúc đẩy an ninh lương thực bền vững.

Hiệu suất sử dụng nitơ trong bối cảnh biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân giải, hấp thu và chuyển hóa nitơ. Mưa bất thường, hạn hán kéo dài hoặc nhiệt độ cao có thể làm giảm hoạt động của vi sinh vật cố định đạm và tăng thất thoát nitơ dưới dạng khí.

Do đó, nâng cao NUE cần gắn liền với khả năng thích ứng khí hậu. Các giải pháp bao gồm:

• Chuyển đổi lịch thời vụ phù hợp với xu hướng khí hậu mới
• Ứng dụng phân bón sinh học để ổn định nitơ trong đất
• Thiết kế hệ thống tưới – bón linh hoạt tùy thời tiết

Đây là yếu tố sống còn trong xây dựng hệ thống nông nghiệp phục hồi (climate-resilient agriculture) hiện nay.

Kết luận

Hiệu suất sử dụng nitơ là một chỉ số then chốt trong canh tác nông nghiệp hiện đại, phản ánh cả hiệu quả kinh tế lẫn mức độ thân thiện với môi trường. Bằng cách áp dụng các giải pháp đồng bộ và sử dụng công nghệ, chúng ta có thể tăng năng suất nông nghiệp, giảm phát thải nitơ và đảm bảo an ninh lương thực trong dài hạn. Đây là mục tiêu trung tâm của nông nghiệp bền vững trong thế kỷ 21.

Tài liệu tham khảo

1. Food and Agriculture Organization (FAO). Efficient Use of Fertilizers. https://www.fao.org
2. International Fertilizer Development Center (IFDC). Nutrient Use Efficiency. https://www.ifdc.org
3. Environmental Protection Agency (EPA). Nutrient Pollution. https://www.epa.gov/nutrient-policy-data
4. Journal of Environmental Quality. Improving Nitrogen Use Efficiency. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com
5. International Plant Nutrition Institute (IPNI). 4R Nutrient Stewardship. https://www.nutrientstewardship.org/