Năng suất sinh học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa năng suất sinh học

Năng suất sinh học (biological productivity) là chỉ số phản ánh tốc độ sinh vật sống tạo ra chất hữu cơ mới trong một đơn vị thời gian và diện tích. Đây là thước đo quan trọng về khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng sinh học qua các quá trình như quang hợp ở thực vật và vi khuẩn lam.

Chỉ số này thường được biểu thị theo đơn vị năng lượng (kcal/m²/năm) hoặc khối lượng carbon cố định dưới dạng sinh khối (gC/m²/năm). Trong sinh thái học, năng suất sinh học cho biết hiệu quả của hệ sinh thái trong việc tích lũy năng lượng, hỗ trợ chuỗi thức ăn và điều hòa các vòng tuần hoàn sinh địa hóa.

Ngoài ra, năng suất sinh học còn là một chỉ số cốt lõi trong đánh giá năng lực tái tạo của tự nhiên, nền tảng cho khái niệm "dấu chân sinh thái" và tính bền vững của hệ sinh thái theo thời gian.

Phân loại năng suất sinh học

Năng suất sinh học được chia thành ba cấp độ tùy theo vị trí trong mạng lưới dinh dưỡng:

• Năng suất sơ cấp tổng (Gross Primary Productivity – GPP): Toàn bộ lượng năng lượng hoặc vật chất được sinh vật tự dưỡng tạo ra thông qua quang hợp.
• Năng suất sơ cấp thực (Net Primary Productivity – NPP): Phần năng lượng còn lại sau khi trừ năng lượng sử dụng cho hô hấp tế bào. Tính theo công thức: $NPP = GPP - R_a$, trong đó $R_a$ là năng lượng dùng cho hô hấp tự dưỡng.
• Năng suất thứ cấp (Secondary Productivity): Sinh khối mới hình thành từ động vật dị dưỡng, tiêu thụ thực vật và sinh vật khác.

Trong đó, NPP là chỉ số được sử dụng phổ biến nhất do phản ánh nguồn năng lượng sẵn có cho các bậc dinh dưỡng cao hơn trong hệ sinh thái. GPP và NPP có thể được đánh giá ở quy mô lá, tán cây hoặc toàn bộ hệ sinh thái.

Dữ liệu chi tiết có thể truy cập tại Nature Education - Primary Productivity.

Phương pháp đo lường năng suất sinh học

Đo lường năng suất sinh học yêu cầu lựa chọn phương pháp phù hợp với quy mô không gian và sinh cảnh cụ thể. Một số phương pháp chính được sử dụng hiện nay bao gồm:

1. Khối lượng khô (dry weight method): Đo sinh khối tích lũy qua thời gian ở đơn vị diện tích xác định, áp dụng cho nghiên cứu đồng cỏ hoặc rừng.
2. Phân tích trao đổi khí (gas exchange): Đo hấp thu CO₂ và thoát hơi nước bằng thiết bị như LI-COR Photosynthesis System, phổ biến ở cấp độ lá và tán cây.
3. Viễn thám và mô hình sinh thái: Sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS (ví dụ MOD17 NPP) và mô hình hóa theo sinh lý thực vật.

Đặc điểm so sánh các phương pháp:

Phương pháp	Quy mô	Độ chính xác	Ưu điểm	Hạn chế
Khối lượng khô	Cục bộ	Cao	Trực tiếp, rõ ràng	Mất thời gian, phá hủy mẫu
Trao đổi khí	Lá → cụm cây	Rất cao	Phân giải tốt theo thời gian	Chi phí cao, yêu cầu kỹ thuật
Viễn thám	Toàn cầu	Trung bình	Liên tục, diện rộng	Phụ thuộc hiệu chỉnh địa phương

Yếu tố ảnh hưởng đến năng suất sinh học

Năng suất sinh học phản ánh sự tương tác giữa đặc điểm sinh học nội tại của sinh vật sản xuất sơ cấp và các điều kiện môi trường ngoại sinh. Các yếu tố chính bao gồm:

• Bức xạ mặt trời: Là nguồn năng lượng duy nhất cho quang hợp; cường độ và thời gian chiếu sáng quyết định năng suất.
• Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng enzyme và quá trình trao đổi khí.
• Nước: Thiếu nước gây đóng khí khổng, làm giảm hấp thu CO₂.
• Chất dinh dưỡng: Nitơ, phospho, kali... là yếu tố hạn chế tăng trưởng, đặc biệt trong đất nghèo dinh dưỡng hoặc biển sâu.
• Loài thực vật: Các loài C4 (như ngô, mía) có năng suất quang hợp cao hơn C3 trong điều kiện khô nóng.

Sự thay đổi của những yếu tố trên do biến đổi khí hậu, xói mòn đất, ô nhiễm môi trường hay canh tác không bền vững có thể làm suy giảm đáng kể năng suất sinh học ở cả quy mô địa phương lẫn toàn cầu.

Năng suất sinh học ở các hệ sinh thái khác nhau

Mức năng suất sinh học biến đổi mạnh giữa các hệ sinh thái do khác biệt về khí hậu, địa hình, loại thảm thực vật và nguồn tài nguyên. Các hệ sinh thái trên cạn như rừng mưa nhiệt đới thường có năng suất sơ cấp thực (NPP) cao nhất, trong khi những vùng cực, sa mạc và đại dương khơi có NPP rất thấp do hạn chế về ánh sáng, nước hoặc chất dinh dưỡng.

Dữ liệu từ chương trình MODIS của NASA cho thấy các khu vực có NPP cao nhất toàn cầu nằm ở lưu vực sông Amazon, Đông Nam Á, và miền trung châu Phi. Ngược lại, những vùng như Tây Sahara, cao nguyên Tây Tạng và trung tâm Australia gần như không có sản lượng sinh học do khí hậu khắc nghiệt.

So sánh NPP trung bình ở một số hệ sinh thái:

Hệ sinh thái	NPP (gC/m²/năm)	Đặc điểm nổi bật
Rừng mưa nhiệt đới	2200	Khí hậu ẩm, cây cối rậm rạp, hấp thụ CO₂ lớn
Đồng cỏ ôn đới	600	Thay đổi theo mùa, phụ thuộc lượng mưa
Sa mạc	90	Nắng gắt, khan hiếm nước, thảm thực vật rải rác
Đại dương ven bờ	500	Giàu dinh dưỡng, sinh vật phù du phát triển

Năng suất sinh học và chu trình carbon toàn cầu

Năng suất sơ cấp, đặc biệt là NPP, đóng vai trò trung tâm trong chu trình carbon của Trái Đất. Khi thực vật hấp thu CO₂ từ khí quyển thông qua quang hợp, carbon được chuyển hóa thành vật chất hữu cơ và tích lũy trong sinh khối. Quá trình này làm giảm nồng độ CO₂ trong khí quyển và góp phần làm chậm lại tốc độ biến đổi khí hậu.

Khoảng một nửa lượng CO₂ do con người thải ra được hấp thụ bởi đại dương và sinh vật trên cạn – trong đó phần lớn thông qua quang hợp. Tuy nhiên, các hoạt động như phá rừng, suy thoái đất và cháy rừng quy mô lớn đang làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ carbon của hệ sinh thái, đặc biệt là ở vùng nhiệt đới.

Biến động theo mùa trong nồng độ CO₂ đo được tại trạm Mauna Loa (Hawaii) phản ánh chu kỳ hấp thụ và thải CO₂ theo chu trình quang hợp – hô hấp. Mùa hè ở Bắc bán cầu chứng kiến mức CO₂ giảm do quang hợp mạnh, còn mùa đông thì tăng trở lại.

Năng suất sinh học và an ninh lương thực

Trong nông nghiệp, năng suất sinh học là chỉ số trực tiếp quyết định năng suất cây trồng, sản lượng lương thực và khả năng duy trì an ninh lương thực. Cải thiện năng suất thông qua chọn giống, công nghệ sinh học, quản lý đất và nước là ưu tiên hàng đầu ở các quốc gia đang phát triển.

Biến đổi khí hậu gây ra hạn hán kéo dài, sóng nhiệt và mất cân bằng mùa vụ, làm suy giảm năng suất sinh học ở nhiều vùng trọng điểm canh tác như Nam Á, Tây Phi và Tây Nam Mỹ. Điều này đe dọa nghiêm trọng đến nguồn cung lương thực toàn cầu và gây bất ổn kinh tế–xã hội.

Giải pháp đang được triển khai bao gồm:

• Ứng dụng cảm biến đo độ ẩm, dinh dưỡng và ánh sáng để tối ưu hóa đầu vào.
• Sử dụng giống cây trồng chịu hạn, chịu mặn và có hiệu suất quang hợp cao (C4, CAM).
• Các kỹ thuật chỉnh sửa gen như CRISPR để tăng hiệu quả chuyển hóa năng lượng.
• Mô hình hóa và dự báo NPP theo kịch bản khí hậu để hoạch định canh tác vùng–vụ.

Ứng dụng trong quản lý tài nguyên và chính sách

Dữ liệu năng suất sinh học giúp các nhà hoạch định chính sách xác định khu vực cần bảo tồn, đánh giá hiệu quả sử dụng đất, hoặc lập kế hoạch phục hồi sinh thái. Các mô hình như InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) tích hợp dữ liệu NPP để tính toán giá trị dịch vụ hệ sinh thái.

Việc xây dựng chính sách phát triển bền vững, phát triển lâm nghiệp, bảo vệ rừng và quy hoạch đô thị dựa trên đánh giá năng suất sinh học giúp tránh khai thác quá mức và đảm bảo phục hồi tài nguyên lâu dài. Đây là nền tảng cho các cam kết quốc tế về carbon trung tính, bảo tồn đa dạng sinh học và thích ứng với biến đổi khí hậu.

Thách thức trong nghiên cứu và giám sát năng suất sinh học

Dù là chỉ số nền tảng, việc đo lường và giám sát năng suất sinh học vẫn gặp nhiều thách thức. Khó khăn bao gồm sự khác biệt đơn vị đo (khối lượng khô, năng lượng, carbon), độ phân giải không gian–thời gian thấp ở cấp toàn cầu, và sai số từ dữ liệu vệ tinh cần hiệu chỉnh thực địa.

Thêm vào đó, vùng nghèo tài nguyên như châu Phi cận Sahara, vùng núi cao và rừng mưa nhiệt đới lại thiếu trạm quan trắc lâu dài hoặc không có khả năng truy cập dữ liệu thời gian thực. Sự thiếu đồng bộ giữa các cơ sở dữ liệu khiến việc so sánh năng suất giữa các quốc gia hoặc theo thời gian gặp nhiều trở ngại.

Giải pháp bao gồm xây dựng mạng lưới quan trắc toàn cầu, hợp tác nghiên cứu xuyên biên giới, tích hợp trí tuệ nhân tạo trong phân tích dữ liệu vệ tinh và mở rộng nền tảng dữ liệu mở để hỗ trợ quản lý bền vững tài nguyên sinh học toàn cầu.

Tài liệu tham khảo

1. Field, C.B., et al. (1998). Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science, 281(5374), 237–240.
2. Nemani, R.R., et al. (2003). Climate-driven increases in global terrestrial net primary production from 1982 to 1999. Science, 300(5625), 1560–1563.
3. Running, S.W., et al. (2004). A continuous satellite-derived measure of global terrestrial primary production. BioScience, 54(6), 547–560.
4. MODIS Data Products – MOD17 NPP: https://modis.gsfc.nasa.gov
5. IPCC. (2021). Sixth Assessment Report – Working Group II. ipcc.ch
6. NASA Earth Observatory: earthobservatory.nasa.gov
7. FAO. (2023). The State of Food and Agriculture. fao.org
8. NOAA ESRL Carbon Cycle: esrl.noaa.gov