Đất canh tác là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về đất canh tác

Đất canh tác là lớp đất mặt giàu chất dinh dưỡng và hữu cơ, hình thành qua quá trình phong hóa đá mẹ, tích lũy mùn và hoạt động của cộng đồng vi sinh vật. Đây là môi trường sống và phát triển chính của phần lớn loại cây trồng nông nghiệp, cung cấp nước, không khí và khoáng chất cần thiết để thực hiện quá trình quang hợp, hô hấp và sinh tổng hợp các chất. Đất canh tác khỏe mạnh giúp cây chịu hạn, kháng bệnh tốt và nâng cao năng suất.

Quá trình hình thành đất canh tác kéo dài hàng nghìn năm dưới tác động phối hợp của khí hậu, thảm thực vật, địa hình và hoạt động con người. Các yếu tố như nhiệt độ, lượng mưa, dòng chảy bề mặt và độ dốc điều chỉnh tốc độ phong hóa và rửa trôi khoáng chất. Hoạt động canh tác liên tục, nếu không được quản lý bền vững, có thể dẫn đến suy thoái đất, giảm độ phì và gia tăng xói mòn.

Đất canh tác đóng vai trò then chốt trong an ninh lương thực toàn cầu. Theo Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc (FAO), hơn 95% nguồn thực phẩm trên cạn phụ thuộc vào chất lượng và độ phì của đất. Đồng thời, đất là bể chứa chính của carbon hữu cơ, góp phần điều tiết khí nhà kính và giảm biến đổi khí hậu thông qua cơ chế cô lập carbon sinh học (FAO Soils Portal).

Định nghĩa và thành phần

Đất canh tác được cấu thành từ bốn thành phần cơ bản: khoáng chất, chất hữu cơ, nước và không khí. Khoáng chất (khoảng 45%) gồm các hạt cát, sét và bột đá, quyết định kết cấu và khả năng giữ nước. Chất hữu cơ (khoảng 5%) bao gồm mùn mục và xác sinh vật phân giải, đóng vai trò nguồn cung nitơ, carbon và trung hòa pH. Không khí (25%) và nước (25%) chi phối quá trình trao đổi khí và cung cấp độ ẩm cho rễ cây.

Chất hữu cơ trong đất, hay humus, là thành phần năng động nhất về mặt sinh học. Humus cải thiện cấu trúc đất, tăng khả năng giữ ẩm và dinh dưỡng, đồng thời kích thích hoạt động vi sinh vật. Các vi sinh vật đất như vi khuẩn cố định đạm, nấm mốc chuyển hóa phospho và giun đất cải thiện độ tơi xốp, tạo kênh dẫn nước và rễ phát triển dễ dàng.

Thành phần khoáng chất được phân tích qua tỷ lệ hạt cát (>0.05 mm), hạt bột (0.002–0.05 mm) và hạt sét (<0.002 mm). Tỷ lệ này xác định độ thoáng khí, mức độ giữ nước và khả năng trao đổi cation (CEC). Đất giàu sét có CEC cao, giữ dinh dưỡng tốt nhưng dễ nén chặt; đất cát thoáng khí, thoát nước nhanh nhưng giữ dinh dưỡng kém.

Phân loại đất canh tác

Đất canh tác thường được phân loại theo hệ USDA thành sáu nhóm cơ bản, cho phép lựa chọn phương pháp canh tác và bón phân phù hợp:

• Đất cát: Hàm lượng cát >85%, thoát nước nhanh, giữ ẩm kém.
• Đất cát pha: Cát 70–85%, bột và sét thấp, kết cấu thoáng nhưng phì nhiêu hơn đất cát.
• Đất pha: Tỷ lệ cát, bột và sét cân bằng, giữ ẩm và thông khí tốt.
• Đất thịt nhẹ: Bột 27–40%, sét 20–27%, khả năng giữ nước cao, dùng phổ biến cho lúa.
• Đất thịt: Bột 40–60%, sét 20–40%, độ phì và độ tơi xốp trung bình.
• Đất sét: Sét >40%, giữ nước và dinh dưỡng tốt nhưng dễ nén và kém thông khí.

Theo hệ thống phân loại của FAO (WRB), những nhóm đất canh tác phổ biến gồm Cambisols (đất non, tầng A phát triển), Luvisols (đất tầng B giàu sét), Phaeozems (đất mùn dày) và Lixisols (đất phù sa cận nhiệt đới) (FAO WRB).

Nhóm USDA	Tỷ lệ [%]	Ưu điểm	Khuyết điểm
Cát	>85	Thoát nước nhanh	Giữ ẩm kém
Cát pha	70–85	Phù hợp rau màu	Dinh dưỡng trung bình
Pha	40–70	Đa dụng	Cần quản lý dinh dưỡng
Thịt nhẹ	27–40 bột, 20–27 sét	Giữ ẩm tốt	Dễ nén
Sét	>40	Giữ dinh dưỡng cao	Thông khí kém

Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của đất canh tác gồm độ kết cấu (aggregate stability), độ rỗng (porosity), độ dẫn nước (hydraulic conductivity) và mật độ khô (bulk density). Độ kết cấu tốt giúp chống xói mòn và giữ nước, trong khi độ rỗng cao tạo điều kiện cho khí CO₂ và O₂ trao đổi với rễ. Bulk density dưới 1.4 g/cm³ được xem là lý tưởng cho đa số cây trồng.

Đo đạc porosity và bulk density thường thực hiện bằng mẫu trụ (core method) hoặc thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Bulk density tính theo công thức: $\text{Bulk Density} = \frac{\text{Khối lượng khô}}{\text{Thể tích mẫu}}$ giúp đánh giá mức độ nén chặt do cơ giới hóa hoặc tác động xói mòn.

Độ dẫn nước (K_sat) phản ánh khả năng thoát nước của đất khi bão hòa, quan trọng trong thiết kế hệ thống tưới tiêu và chống ngập úng. Đất cát có K_sat cao (>10 mm/h), đất sét thấp (<1 mm/h). Đặc tính này ảnh hưởng đến lựa chọn giống cây, mật độ gieo trồng và lựa chọn kỹ thuật quản lý nước trên ruộng đồng.

Tính chất hóa học

Độ pH của đất canh tác phản ánh tính axit – kiềm và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cây trồng. Công thức xác định pH: $\mathrm{pH} = -\log_{10}[H^+],$ với [H⁺] là nồng độ ion hiđrô trong dung dịch đất. Đất có pH từ 6,0–7,5 thường lý tưởng cho hầu hết loài nông nghiệp; pH <5,5 gây thiếu hụt Ca, Mg, pH >8,5 làm Fe, Mn khó hòa tan.

Khả năng trao đổi cation (Cation Exchange Capacity – CEC) đo lượng cation (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NH₄⁺) mà đất có thể giữ lại. Đất sét và humus có CEC cao (20–40 cmol+/kg), trong khi đất cát thấp (≤5 cmol+/kg). CEC cao giúp duy trì dinh dưỡng ổn định, giảm rửa trôi phân bón.

Hàm lượng chất hữu cơ (Organic Matter – OM) chiếm 2–6% khối lượng đất, ảnh hưởng đến pH, CEC và khả năng giữ nước. Quá trình phân tích OM thường dùng phương pháp Walkley–Black hoặc đo hô hấp vi sinh. Đất có OM ≥3% được xem là phì nhiêu; OM <1% dễ suy thoái và xói mòn.

Phân tích đất và phân tầng

Phân tích mẫu đất tại phòng thí nghiệm xác định pH, CEC, hàm lượng N–P–K và vi lượng (Cu, Zn, Fe, Mn). Các phương pháp chính:

• Phương pháp Kjeldahl: Đo tổng đạm.
• Phương pháp Olsen: Phospho khả dụng.
• Phương pháp trao đổi NH₄: Potassium chloride extraction cho độ chua tiềm ẩn.

Phân tầng đất (soil horizons) theo FAO WRB gồm:

Tầng	Ký hiệu	Đặc điểm
Humus (mùn)	O	Chất hữu cơ chưa phân hủy hoàn toàn
Vùng canh tác	A	Giàu dinh dưỡng, màu tối
Vùng chuyển tiếp	B	Tích lũy sét và oxit
Đá mẹ phân rã	C	Phân rã sơ bộ, ít sinh vật
Đá mẹ	R	Không phong hóa

Năng suất và sức khỏe đất

Chỉ số sức khỏe đất (Soil Health Index – SHI) tích hợp đa tiêu chí: độ mùn, CEC, hoạt động vi sinh, bulk density và khả năng dẫn nước. Điểm SHI >75% cho thấy đất ở trạng thái tốt; 50–75% cần quản lý bổ sung; <50% cảnh báo suy thoái.

Năng suất nông nghiệp (kg sản phẩm/ha) tỷ lệ thuận với SHI và chỉ số NAD (Nitrogen Availability Density). Mối quan hệ thô được mô tả bằng: $Y = Y_{\max}\times\frac{\text{SHI}}{100}\times\Bigl(1 - e^{-k\cdot \text{NAD}}\Bigr),$ trong đó k là hệ số loang phân bón, Y_max năng suất lý tưởng.

Bảng minh họa đánh giá sức khỏe và năng suất trên cùng diện tích 1 ha:

SHI (%)	NAD (mg/kg)	Năng suất (tấn/ha)
85	50	8,2
65	30	5,6
40	15	3,1

Quản lý bền vững và cải tạo đất

Canh tác luân phiên (crop rotation) ngăn ngừa sâu bệnh, tái tạo dưỡng chất. Ví dụ, luân canh ngô – đậu tăng đạm tự nhiên, giảm phụ thuộc phân hóa học.

Che phủ đất (cover crops) như cỏ vừng, đậu phộng phủ mặt, hạn chế xói mòn, tăng OM và điều hòa nhiệt độ đất. No‐till farming (không cày xới) giảm nén chặt, bảo vệ cấu trúc.

Ứng dụng biochar (than sinh học) và phân bón vi sinh (Azotobacter, Phosphobacteria) giúp giữ nước, tăng CEC và cải thiện hoạt động vi sinh. Can thiệp kết hợp tăng độ bền vững lâu dài.

Xu hướng và công nghệ mới trong quản lý đất

Nông nghiệp chính xác (precision agriculture) ứng dụng cảm biến độ ẩm, pH, drone khảo sát và GIS lập bản đồ đất real‐time, cho phân bón, tưới nước chính xác từng vị trí.

Công nghệ IoT cung cấp dữ liệu liên tục về nhiệt độ, độ ẩm, EC và quang phổ cây trồng, kết nối với hệ thống AI‐driven để dự báo nhu cầu dinh dưỡng và phát hiện sớm stress môi trường.

Sinh học tổng hợp (synthetic biology) phát triển vi khuẩn cộng sinh cố định N₂, phân giải phospho và tiết chất kích thích sinh trưởng (IAA), giảm 30–40% phân bón vô cơ, cải thiện khả năng phục hồi đất.

Tài liệu tham khảo

1. Food and Agriculture Organization (FAO). Soils Portal. Retrieved from https://www.fao.org/soils-portal/en/
2. FAO. World Reference Base for Soil Resources. Retrieved from https://www.fao.org/soils-portal/data-hub/soil-classification/wrb/en/
3. Global Soil Partnership (GSP). Sustainable Soil Management. Retrieved from https://www.globalsoilpartnership.org
4. United States Department of Agriculture (USDA). Precision Agriculture. Retrieved from https://www.usda.gov
5. Soil Science Society of America. Soil Health and Management.