Đất ruộng lúa khác biệt với đất trồng cây cạn như thế nào?

Đất ruộng lúa trải qua các chu kỳ ngập và phơi khô luân phiên, tạo nên tầng đất mặt bị khử yếm khí giàu các dạng oxy hóa khử của sắt và mangan, cùng tầng đế cày nén chặt bên dưới giúp hạn chế sự thấm mất nước ngọt.

Tại sao ruộng lúa ngập nước lại phát thải nhiều khí methane?

Trong điều kiện ngập nước yếm khí, các vi sinh vật cổ sinh methane phân giải chất hữu cơ từ tàn dư rơm rạ theo hai con đường chính là phân cắt acetate và khử carbon dioxide, và phần lớn lượng khí methane này thoát vào khí quyển qua mô khí của cây lúa.

Kỹ thuật ngập khô xen kẽ giúp giảm phát thải khí nhà kính như thế nào?

Kỹ thuật ngập khô xen kẽ cho phép rút nước định kỳ làm thoáng khí tầng đất mặt, dập tắt quá trình sinh methane của vi sinh vật kỵ khí, giúp cắt giảm đáng kể tiềm năng làm nóng toàn cầu mà vẫn duy trì ổn định năng suất hạt.

Đề án 1 triệu hecta lúa chất lượng cao tại Việt Nam hướng tới mục tiêu gì?

Đề án hướng tới tổ chức lại sản xuất lúa gạo bền vững tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long, áp dụng đồng bộ quy trình tưới tiêu thông minh, giảm phân bón hóa học và thu gom rơm rạ nhằm giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao giá trị hạt gạo.

Ruộng lúa là gì? Cấu trúc và sinh thái học

Ruộng lúa (tiếng Anh: paddy field hoặc rice paddy) là một hệ sinh thái nông nghiệp nhân tạo được thiết lập với hệ thống bờ bao khép kín nhằm giữ lại và điều tiết một lớp nước ngập nông bề mặt, phục vụ trực tiếp cho chu kỳ sinh trưởng của cây lúa nước. Dưới giác độ nông học, thổ nhưỡng học và sinh thái học cảnh quan, ruộng lúa không chỉ đóng vai trò là tư liệu sản xuất lương thực nuôi sống hơn một nửa dân số thế giới mà còn hoạt động như một hệ đất ngập nước nội địa đặc thù, chi phối sâu sắc các chu trình sinh địa hóa của carbon, nitơ, sắt và dinh dưỡng khoáng trong sinh quyển.

Tại Việt Nam, ruộng lúa là cảnh quan sinh thái nông nghiệp gắn liền với nền văn minh lúa nước hàng ngàn năm, tập trung trù phú nhất tại hai vựa lúa lớn là Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, việc chuyển đổi phương thức canh tác trên ruộng lúa từ tập quán truyền thống sang canh tác phát thải thấp đã trở thành định hướng chiến lược quốc gia. Đề án phát triển bền vững 1 triệu hecta chuyên canh lúa chất lượng cao và phát thải thấp tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo Quyết định số 1490/QĐ-TTg năm 2023 đã khẳng định cam kết chuyển đổi sinh thái của nền nông nghiệp Việt Nam trên trường quốc tế.

Cấu trúc hình thái và đặc trưng lý hóa của hệ sinh thái đất ruộng lúa

Khác biệt với đất canh tác cây trồng cạn thông thường, đất ruộng lúa (paddy soil) trải qua các chu kỳ ngập nước và rút nước phơi ruộng luân phiên do con người chủ động can thiệp. Quá trình nhân tác kéo dài qua nhiều thế hệ tạo nên một loại đất biến đổi sâu sắc với các tầng phát sinh và đặc tính oxy hóa khử độc đáo.

1. Sự phân tầng oxy hóa khử và động thái hóa sinh

Khi ruộng lúa được đưa vào trạng thái ngập nước bề mặt, quá trình khuếch tán oxy phân tử từ khí quyển vào đất bị suy giảm mạnh bởi lớp nước tù đọng. Vi sinh vật hiếu khí trong đất tiêu thụ nhanh chóng lượng oxy hòa tan còn lại chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày, biến phần lớn tầng đất mặt thành môi trường khử yếm khí nghiêm ngặt.

Trong công trình tổng quan kinh điển về hóa sinh học đất ruộng lúa, Kögel-Knabner và cộng sự (2010) đã hệ thống hóa các quá trình biến đổi sinh địa hóa diễn ra trong đất ngập nước. Khi thế oxy hóa khử của đất suy giảm theo thời gian ngập, các chất nhận electron thay thế lần lượt bị khử theo một trật tự nhiệt động lực học xác định: nitrate bị khử thành khí dinitơ hoặc ammonium, manganese hóa trị bốn bị khử thành ion manganese hòa tan, sắt hóa trị ba bị khử mạnh mẽ thành ion sắt hai, sulfate bị khử thành sulfide, và cuối cùng carbon dioxide bị các vi sinh vật cổ sinh methane khử thành khí methane.

Cơ chế khử oxit sắt và oxit manganese dẫn đến hiện tượng hòa tan và tái kết tủa liên tục của các khoáng chất này theo chu kỳ mùa vụ. Trong giai đoạn ngập nước, sắt và manganese hòa tan di chuyển xuống tầng sâu hơn; khi ruộng lúa được rút nước phơi khô vào cuối vụ, oxy xâm nhập trở lại oxy hóa các ion này thành các đốm gỉ sắt, tạo nên các hình thái loang lổ oxy hóa khử (redoximorphic features) đặc trưng của tầng phát sinh đất lúa.

2. Tầng đế cày và chức năng kiểm soát cơ học

Một đặc trưng hình thái then chốt của ruộng lúa nước là sự hiện diện của tầng đế cày (plow pan) nằm ngay bên dưới tầng canh tác mặt. Tầng nén chặt này hình thành do tác động cơ học liên tục của việc cày bừa đất ướt cùng sự tích tụ của các hạt sét mịn và khoáng chất bị rửa trôi từ tầng mặt xuống.

Tầng đế cày đóng vai trò như một lớp màng ngăn địa kỹ thuật tự nhiên, làm giảm đáng kể tốc độ thấm nước thấm đứng của ruộng lúa. Nhờ có tầng nén này, người nông dân có thể duy trì được mực nước ngập cần thiết trên mặt ruộng mà không bị thất thoát quá nhiều nguồn nước ngọt quý giá vào các tầng nước ngầm sâu bên dưới.

Chế độ quản lý nước	Đặc điểm ngập mặt ruộng	Thế oxy hóa khử đất	Mức độ phát sinh methane	Ý nghĩa tài nguyên nước
Ngập nước liên tục	Duy trì lớp nước ngập suốt mùa vụ	Môi trường khử rất mạnh và kéo dài	Phát thải methane cao nhất	Tiêu tốn lượng nước ngọt tưới tiêu rất lớn
Ngập khô xen kẽ	Luân phiên ngập nông và rút cạn	Dao động có chu kỳ giữa khử và oxy hóa	Cắt giảm đáng kể phát thải methane	Tiết kiệm nước tưới, tăng độ cứng chân ruộng
Lúa nhờ nước trời	Ngập phụ thuộc vào lượng mưa tự nhiên	Khử gián đoạn theo lượng mưa	Phát thải methane ở mức trung bình	Bấp bênh trước hạn hán và thời tiết cực đoan
Lúa nước sâu	Mực nước ngập sâu tự nhiên ven sông	Môi trường yếm khí ngập sâu	Phát thải biến động theo động thái lũ	Thích ứng địa hình trũng ngập lũ tự nhiên

Động thái phát thải khí nhà kính và sinh thái học vi sinh vật trong ruộng lúa

Ruộng lúa ngập nước được xác định là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính nhân tạo lớn nhất trong lĩnh vực nông nghiệp, chủ yếu là khí methane và khí nitrous oxide.

1. Sinh thái học vi sinh vật tạo methane và con đường phát tán

Khí methane sinh ra trong ruộng lúa là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ do các vi sinh vật cổ kỵ khí nghiêm ngặt (methanogens) thực hiện. Conrad (2007) đã phân tích sâu sắc cấu trúc quần xã vi sinh vật trong đất ruộng lúa, chỉ ra hai con đường trao đổi chất sinh methane chính:

Con đường phân cắt acetate: Chuyển hóa trực tiếp acid acetic sinh ra từ quá trình lên men rơm rạ thành khí methane và khí carbon dioxide.
Con đường khử carbon dioxide bằng hydro: Sử dụng khí hydro làm chất cho electron để khử carbon dioxide thành khí methane.

Khí methane sau khi hình thành trong tầng đất khử sẽ di chuyển lên bề mặt qua ba cơ chế: khuếch tán phân tử trong dung dịch đất, bốc bọt khí cơ học, và vận chuyển qua hệ thống mô dẫn khí của cây trồng. Đáng chú ý, nghiên cứu của Conrad (2007) chỉ ra rằng khoảng 80% đến 90% lượng khí methane phát tán từ đất ruộng lúa vào khí quyển được vận chuyển thông qua hệ thống mô khí aerenchyma của thân cây lúa. Hệ mô xốp này vốn có chức năng sinh lý vận chuyển oxy từ khí trời xuống nuôi rễ lúa trong đất ngập, nhưng vô tình trở thành đường ống thoát nhanh đưa khí methane thẳng vào bầu khí quyển mà không bị các vi sinh vật oxy hóa methane tại tầng mặt phân hủy.

2. Đánh đổi khí nhà kính và tiềm năng làm nóng toàn cầu

So sánh với các loại ngũ cốc canh tác trên đất cạn, Linquist và cộng sự (2012) đã chứng minh rằng ruộng lúa ngập nước có tiềm năng làm nóng toàn cầu tính trên mỗi hecta canh tác cao hơn nhiều so với lúa mì hay ngô, do lượng phát thải khí methane trong điều kiện ngập yếm khí vượt trội hoàn toàn. Tiềm năng làm nóng toàn cầu từ phát thải khí nhà kính trực tiếp trên ruộng lúa (với giả định bỏ qua biến thiên ngắn hạn của lượng carbon hữu cơ trong đất) được xác định theo công thức:

GWP = E_{CH_4} \times \alpha_{CH_4} + E_{N_2O} \times \alpha_{N_2O}

Trong công thức trên, ký hiệu $GWP$ biểu thị tiềm năng làm nóng toàn cầu tính theo đương lượng carbon dioxide trên mỗi hecta đất canh tác, $E_{CH_4}$ và $E_{N_2O}$ lần lượt là cường độ phát thải thực tế của khí methane và nitrous oxide, còn $\alpha_{CH_4}$ và $\alpha_{N_2O}$ là các hệ số chuyển đổi tiềm năng làm nóng tương ứng trong khung thời gian một trăm năm theo hướng dẫn chuẩn của Ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu. Khi ruộng lúa bị ngập nước liên tục, phát thải methane tăng vọt nhưng phát thải nitrous oxide bị ức chế; ngược lại, khi rút nước làm đất hiếu khí, quá trình sinh methane bị dập tắt nhưng quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa gián đoạn lại thúc đẩy giải phóng nitrous oxide. Do đó, quản lý đất ruộng lúa đòi hỏi sự điều phối kỹ thuật chuẩn xác nhằm tối thiểu hóa tổng lượng phát thải cả hai loại khí này.

Bên cạnh đó, Wassmann và cộng sự (2000) thông qua mạng lưới đo đạc thực nghiệm tại các nước châu Á đã khẳng định rằng các vùng ruộng lúa có công trình thủy lợi tưới chủ động có cường độ phát thải methane tính theo mùa vụ cao hơn rõ rệt so với các chân ruộng lúa nhờ nước trời, do các hệ thống tưới chủ động thường duy trì lớp nước mặt ngập úng liên tục trong suốt chu kỳ sinh trưởng của cây trồng.

Giải pháp công nghệ canh tác ruộng lúa bền vững và phát thải thấp

Để giảm nhẹ dấu chân carbon của ngành sản xuất lúa gạo mà không làm suy giảm an ninh lương thực, nhiều giải pháp kỹ thuật nông học tiên tiến đã được tiêu chuẩn hóa và nhân rộng trên diện tích ruộng lúa toàn cầu.

1. Kỹ thuật tưới ngập khô xen kẽ

Kỹ thuật tưới ngập khô xen kẽ (Alternate Wetting and Drying) là phương pháp quản lý nước chủ động, cho phép mực nước trên ruộng lúa rút tự nhiên xuống dưới mặt đất trước khi tiến hành bơm nước tưới trở lại, thay vì duy trì mực nước ngập sâu liên tục.

Trong công trình phân tích tổng hợp toàn cầu gần đây, Li và cộng sự (2024) đã đánh giá dữ liệu từ hàng trăm thí nghiệm đồng ruộng trên khắp thế giới, khẳng định rằng áp dụng kỹ thuật ngập khô xen kẽ mức độ nhẹ giúp cắt giảm đáng kể lượng phát thải khí methane và tổng tiềm năng làm nóng toàn cầu của ruộng lúa, đồng thời duy trì năng suất hạt ổn định tương đương với tập quán tưới ngập liên tục. Việc đưa oxy vào tầng đất mặt trong các đợt rút nước định kỳ đã kích thích rễ lúa ăn sâu, tăng cường khả năng hấp thu dinh dưỡng và hạn chế hiện tượng đổ ngã của cây trồng khi gặp thời tiết bất lợi.

2. Quản lý tàn dư rơm rạ và phân bón thông minh

Việc vùi lấp rơm rạ tươi trực tiếp vào đất ruộng lúa ẩm ướt ngay trước khi gieo sạ vụ sau là nguyên nhân trực tiếp cung cấp nguồn cơ chất hữu cơ dồi dào cho vi sinh vật sinh methane phát triển bùng nổ. Canh tác tiến bộ khuyến cáo người nông dân thu gom rơm rạ khỏi ruộng lúa để làm nấm, thức ăn gia súc hoặc ủ phân hữu cơ vi sinh; trường hợp để lại rơm rạ trên ruộng cần có thời gian cách ly phơi đất đủ dài để rơm phân hủy trong điều kiện hiếu khí.

Song song với đó, việc áp dụng các loại phân đạm tan chậm hoặc phân đạm có chứa hoạt chất ức chế nitrat hóa giúp hạn chế sự thất thoát khí nhà kính nitrous oxide vào bầu khí quyển, đồng thời gia tăng hiệu quả sử dụng phân bón của cây lúa trên đồng ruộng.

Chuyển đổi hệ thống ruộng lúa tại Việt Nam trong kỷ nguyên tăng trưởng xanh

Việt Nam là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới, sở hữu hàng triệu hecta ruộng lúa phì nhiêu tại các vùng châu thổ hạ lưu sông Mekong và sông Hồng. Tuy nhiên, hệ thống ruộng lúa tại các vùng đồng bằng này đang chịu tác động từ hiện tượng nước biển dâng, xâm nhập mặn, sụt lún đất do khai thác nước ngầm và tình trạng suy giảm phù sa bồi đắp do các công trình thủy điện thượng nguồn.

Nhằm chủ động ứng phó với các thách thức môi trường và nâng cao giá trị chuỗi lúa gạo, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 1490/QĐ-TTg năm 2023 phê duyệt Đề án phát triển bền vững 1 triệu hecta chuyên canh lúa chất lượng cao và phát thải thấp gắn với tăng trưởng xanh vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Đề án đặt trọng tâm vào việc tổ chức lại sản xuất trên quy mô vùng ruộng lúa lớn, áp dụng đồng bộ các quy trình kỹ thuật thông minh như tưới ngập khô xen kẽ, giảm lượng hạt giống gieo sạ, giảm phân bón vô cơ và thu gom toàn bộ phụ phẩm rơm rạ.

Bên cạnh hình thức độc canh cây lúa, các mô hình chuyển đổi sinh thái thích ứng như hệ thống luân canh lúa tôm trên chân ruộng ven biển đang mở ra hướng đi đầy triển vọng. Vào mùa mưa khi nguồn nước ngọt dồi dào, nông dân tiến hành canh tác vụ lúa để tận dụng dinh dưỡng và cải tạo môi trường đất; vào mùa khô khi nước mặn xâm nhập sâu vào nội đồng, ruộng lúa chuyển sang nuôi thả tôm tự nhiên. Mô hình luân canh lúa tôm thích ứng mặn giúp tận dụng tối ưu điều kiện sinh thái theo mùa, đa dạng hóa sinh kế và cải thiện thu nhập cho nông dân vùng ven biển so với phương thức độc canh lúa nước kém hiệu quả.