VAI TRÒ CỦA LƯU TRỮ CARBON TRONG ĐẤT

Lưu trữ carbon trong đất là một dịch vụ hệ sinh thái quan trọng, là kết quả của sự tương tác của các quá trình sinh thái. Các hoạt động của con người ảnh hưởng đến các quá trình này có thể dẫn đến mất carbon hoặc cải thiện khả năng lưu trữ.

Hình 1: Tình trạng tảo mùa hè dọc Bờ Vịnh Hoa Kỳ. Màu đỏ biểu thị nồng độ tảo cao do chất dinh dưỡng chảy vào Vịnh Mexico, chủ yếu từ lưu vực sông Mississippi.

© 2012 Nature Education Hình ảnh được cung cấp bởi Phòng Trực quan Khoa học của NASA/Trung tâm Bay Không gian Goddard. Đã đăng ký Bản quyền. Nguyên tắc cơ bản của cacbon hữu cơ trong đất

Chất hữu cơ trong đất bao gồm các vi khuẩn đất bao gồm vi khuẩn và nấm, vật liệu phân hủy từ các sinh vật sống một thời như mô thực vật và động vật, vật liệu phân và các sản phẩm hình thành từ sự phân hủy của chúng. SOM là một hỗn hợp không đồng nhất của các vật liệu ở giai đoạn phân hủy từ tàn dư thực vật tươi đến vật liệu phân hủy mạnh được gọi là mùn. SOM được tạo thành từ các hợp chất hữu cơ có hàm lượng carbon rất cao. Mức carbon hữu cơ trong đất (SOC) liên quan trực tiếp đến lượng chất hữu cơ có trong đất và SOC thường là cách đo chất hữu cơ trong đất.Mức SOC là kết quả của sự tương tác của một số quá trình hệ sinh thái, trong đó quá trình quang hợp, hô hấp và phân hủy là then chốt. Quang hợp là quá trình cố định CO 2 trong khí quyểnvào sinh khối thực vật. Tỷ lệ SOC đầu vào chủ yếu được xác định bởi sinh khối rễ của cây, nhưng cũng bao gồm cả rác thải từ chồi cây. Đất C là kết quả trực tiếp từ sự phát triển và chết đi của rễ cây, cũng như gián tiếp từ việc chuyển các hợp chất giàu carbon từ rễ sang vi khuẩn đất. Ví dụ, nhiều loài thực vật hình thành mối liên hệ cộng sinh giữa rễ của chúng và các loại nấm chuyên biệt trong đất được gọi là mycorrhizae; rễ cung cấp cho nấm năng lượng dưới dạng carbon trong khi nấm cung cấp cho cây những chất dinh dưỡng thường bị hạn chế như phốt pho. Sự phân hủy sinh khối bởi vi sinh vật đất dẫn đến mất cacbon dưới dạng CO 2khỏi đất do quá trình hô hấp của vi sinh vật, trong khi một tỷ lệ nhỏ carbon ban đầu được giữ lại trong đất thông qua sự hình thành mùn, một sản phẩm thường mang lại cho đất giàu carbon màu sẫm đặc trưng (Hình 2). Các dạng SOC khác nhau này khác nhau về tính ngoan cố hoặc khả năng chống phân hủy. Mùn rất khó phân hủy và khả năng chống phân hủy này dẫn đến thời gian lưu trú lâu dài trong đất. Các mảnh vụn thực vật ít cứng đầu hơn, dẫn đến thời gian lưu trú trong đất ngắn hơn nhiều. Các quá trình sinh thái khác có thể dẫn đến mất cacbon bao gồm xói mòn đất và rửa trôi cacbon hòa tan vào nước ngầm. Khi đầu vào và đầu ra carbon cân bằng với nhau thì không có sự thay đổi thực sự về mức SOC. Khi lượng carbon đầu vào từ quá trình quang hợp vượt quá lượng C bị mất đi, mức SOC sẽ tăng theo thời gian. Hình 2: Cân bằng carbon trong đất (hộp màu nâu) được kiểm soát bởi lượng carbon đầu vào từ quá trình quang hợp và lượng carbon mất đi do hô hấp. Sự phân hủy rễ và các sản phẩm từ rễ do hệ động vật và vi khuẩn trong đất tạo ra mùn, một kho lưu trữ SOC tồn tại lâu dài. © 2012 Nature Education Mọi quyền được bảo lưu. Tốc độ quang hợp, phân hủy và hô hấp được xác định một phần bởi các yếu tố khí hậu, quan trọng nhất là nhiệt độ và độ ẩm của đất. Ví dụ, ở vùng khí hậu ẩm ướt lạnh ở các vĩ độ phía bắc, tốc độ quang hợp vượt quá tốc độ phân hủy dẫn đến mức SOC cao (Hình 3). Các vùng khô cằn có mức SOC thấp chủ yếu là do sản lượng sơ cấp thấp, trong khi vùng nhiệt đới thường có mức SOC trung bình do tốc độ sản xuất sơ cấp và phân hủy cao do nhiệt độ ấm áp và lượng mưa dồi dào. Các hệ sinh thái ôn đới có thể có năng suất sơ cấp cao trong mùa hè khi nhiệt độ và độ ẩm cao nhất, với nhiệt độ mát mẻ trong thời gian còn lại trong năm làm chậm tốc độ phân hủy khiến chất hữu cơ tích tụ dần dần theo thời gian (Hình 4). Trong khi các điều kiện khí hậu chủ yếu tạo ra các mô hình carbon trong đất toàn cầu, các yếu tố khác thay đổi ở quy mô không gian nhỏ hơn sẽ tương tác với khí hậu để xác định mức SOC. Ví dụ, kết cấu đất - tỷ lệ tương đối của các hạt cát, bùn và đất sét tạo nên một loại đất cụ thể - hoặc thành phần khoáng vật của các hạt đất đó có thể có tác động đáng kể đến trữ lượng carbon trong đất. Ngoài ra, các quá trình xói mòn và lắng đọng có tác dụng phân phối lại carbon trong đất theo địa hình của cảnh quan, với các khu vực trũng thấp như vùng đồng bằng ngập lũ thường có SOC tăng so với các vị trí sườn dốc. và các hạt đất sét tạo nên một loại đất cụ thể - hoặc thành phần khoáng vật của các hạt đất đó có thể có tác động đáng kể đến trữ lượng carbon trong đất. Ngoài ra, các quá trình xói mòn và lắng đọng có tác dụng phân phối lại carbon trong đất theo địa hình của cảnh quan, với các khu vực trũng thấp như vùng đồng bằng ngập lũ thường có SOC tăng so với các vị trí sườn dốc. và các hạt đất sét tạo nên một loại đất cụ thể - hoặc thành phần khoáng vật của các hạt đất đó có thể có tác động đáng kể đến trữ lượng carbon trong đất. Ngoài ra, các quá trình xói mòn và lắng đọng có tác dụng phân phối lại carbon trong đất theo địa hình của cảnh quan, với các khu vực trũng thấp như vùng đồng bằng ngập lũ thường có SOC tăng so với các vị trí sườn dốc. Hình 3: Bản đồ thế giới thể hiện số lượng SOC ở độ sâu 1 m. © Nature Education Hình ảnh được cung cấp bởi Dịch vụ Bảo tồn Tài nguyên Thiên nhiên USDA. Đã đăng ký Bản quyền. Hình 4: Lớp đất mặt có màu sẫm cho thấy hàm lượng SOC cao do rễ cây có nhiều và hệ động vật đất cũng như vi khuẩn liên quan của chúng trong đất canh tác ở miền trung Iowa.

© 2012 Nature Education Hình ảnh được cung cấp bởi Todd Ontl. Đã đăng ký Bản quyền. Carbon đất và chu trình carbon toàn cầu Lượng C trong đất đại diện cho một phần đáng kể lượng carbon được tìm thấy trong hệ sinh thái trên cạn của hành tinh. Tổng C trong hệ sinh thái trên cạn là khoảng 3170 gigaton (GT; 1 GT = 1 petagram = 1 tỷ tấn). Trong số này, gần 80% (2500 GT) được tìm thấy trong đất (Lal 2008). Carbon đất có thể là hữu cơ (1550 GT) hoặc carbon vô cơ (950 GT). Loại thứ hai bao gồm các nguyên tố cacbon và cacbonat nguyên tố như canxit, dolomit và thạch cao (Lal 2004). Lượng carbon tìm thấy trong thực vật và động vật sống tương đối nhỏ so với lượng carbon tìm thấy trong đất (560 GT). Bể chứa carbon trong đất lớn hơn khoảng 3,1 lần so với bể chứa carbon trong khí quyển là 800 GT (Oelkers & Cole 2008). Chỉ có đại dương mới có bể chứa carbon lớn hơn, khoảng 38.400 GT C, chủ yếu ở dạng vô cơ (Houghton 2007). Carbon đất và biến đổi khí hậu Ngày càng có nhiều bằng chứng ủng hộ giả thuyết rằng khí hậu trái đất đang thay đổi nhanh chóng để ứng phó với lượng CO 2 và các khí nhà kính khác (GHG) tiếp tục được đưa vào bầu khí quyển do các hoạt động của con người (IPCC 2007). Mặc dù tồn tại rất nhiều loại khí nhà kính (ví dụ N 2 O, CH 4 ), CO 2 có tác động lớn nhất đến khí hậu toàn cầu do sự gia tăng khổng lồ từ thời kỳ tiền công nghiệp cho đến ngày nay. Nồng độ CO 2 trong khí quyển đã tăng từ khoảng 280 phần triệu (ppm) trước năm 1850 lên 381,2 ppm vào năm 2006 (WMO 2006), với mức tăng hàng năm hiện nay là 0,88 ppm (3,5 GT C/năm) (IPCC 2007). Khoảng 2/3 tổng lượng CO 2 trong khí quyển tăng lênlà kết quả của việc đốt nhiên liệu hóa thạch, phần còn lại là do mất SOC do thay đổi cách sử dụng đất (Lal 2004), chẳng hạn như việc phá rừng và canh tác đất để sản xuất lương thực (Hình 5). Hình 5: Phá rừng quanh Rio Branco, Brazil. Các khu vực có màu sáng là nơi thảm thực vật rừng nhiệt đới đã bị phát quang và đốt cháy (xem đám khói) để trồng trọt và chăn nuôi gia súc. © 2012 Nature Education Hình ảnh được cung cấp bởi Đài thiên văn Trái đất của NASA. Đã đăng ký Bản quyền. Trong khi lượng carbon thải vào khí quyển thông qua nạn phá rừng bao gồm lượng carbon thải ra từ quá trình phân hủy sinh khối thực vật trên mặt đất, thì lượng carbon trong đất cũng nhanh chóng cạn kiệt do quá trình phân hủy SOM. Sự phân hủy SOM là do hoạt động của cộng đồng phân hủy vi sinh vật trong trường hợp không có tốc độ đầu vào carbon liên tục từ sự phát triển của thảm thực vật rừng, cũng như nhiệt độ đất tăng lên do sự nóng lên của mặt đất sau khi tán rừng bị loại bỏ . Mặc dù sự mất cacbon trong đất này đã góp phần làm tăng nồng độ CO 2 trong khí quyển nhưng đây cũng là cơ hội để lưu trữ một phần cacbon này trong đất từ ​​việc trồng rừng. Mặc dù kích thước của bể chứa cacbon trong đại dương lớn hơn nhiều so với bể chứa cacbon trong đất, tốc độ trao đổi giữa khí quyển và đất được ước tính là cao hơn so với giữa khí quyển và đại dương. Các ước tính hiện tại cho thấy lượng carbon đầu vào từ quá trình quang hợp của thảm thực vật trên cạn sẽ cố định nhiều carbon hơn lượng carbon bị mất qua quá trình hô hấp của đất, dẫn đến tốc độ lưu trữ trong đất khoảng 3 GT C/năm. Tốc độ dòng carbon trong đại dương cho thấy các đại dương lưu trữ khoảng 2 GT carbon/năm mặc dù chiếm tỷ lệ lớn hơn rất nhiều trên bề mặt trái đất. Mặc dù có mối quan tâm đến việc tăng tốc độ lưu trữ carbon trong đại dương thông qua việc bổ sung chất dinh dưỡng trên quy mô lớn, nhưng vẫn có sự hoài nghi đối với cách tiếp cận này do những hậu quả chưa được biết đến đối với chu trình dinh dưỡng toàn cầu và hệ sinh thái biển (Cullen & Boyd 2008). Cô lập cacbon trong đất Cô lập carbon trong đất là một quá trình trong đó CO 2 được loại bỏ khỏi khí quyển và được lưu trữ trong bể chứa carbon trong đất. Quá trình này chủ yếu được thực hiện bởi thực vật thông qua quá trình quang hợp, với lượng carbon được lưu trữ dưới dạng SOC. Ở vùng khí hậu khô cằn và bán khô hạn, quá trình cô lập carbon trong đất cũng có thể xảy ra do quá trình chuyển đổi CO 2 từ không khí có trong đất thành các dạng vô cơ như cacbonat thứ cấp; tuy nhiên, tốc độ hình thành cacbon vô cơ tương đối thấp (Lal 2008). Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, việc chuyển đổi hệ sinh thái tự nhiên sang sử dụng cho nông nghiệp đã dẫn đến sự suy giảm mức SOC, giải phóng 50 đến 100 GT carbon từ đất vào khí quyển (Lal 2009). Đây là kết quả tổng hợp của việc giảm lượng rễ cây và tàn dư quay trở lại đất, tăng khả năng phân hủy do làm đất và tăng xói mòn đất (Lemus & Lal 2005). Sự suy giảm trữ lượng SOC đã tạo ra tình trạng thiếu hụt carbon trong đất, tạo cơ hội lưu trữ carbon trong đất thông qua nhiều phương pháp quản lý đất đai. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố khác nhau tác động đến sự thay đổi lượng carbon trong đất tiềm ẩn trong tương lai, bao gồm kiểm soát khí hậu, mô hình sử dụng đất lịch sử, chiến lược quản lý đất đai hiện tại và tính không đồng nhất về địa hình. Sự gia tăng liên tục của CO2 trong khí quyển và nhiệt độ toàn cầu có thể gây ra nhiều hậu quả khác nhau đối với lượng carbon đầu vào trong đất thông qua việc kiểm soát tốc độ quang hợp và lượng carbon thất thoát thông qua quá trình hô hấp và phân hủy. Công việc thí nghiệm đã chỉ ra rằng thực vật phát triển ở nồng độ CO 2 cao sẽ cố định nhiều carbon hơn thông qua quá trình quang hợp, tạo ra sinh khối lớn hơn (Drake et al. 1997). Tuy nhiên, lượng cacbon mất đi cũng có thể tăng lên do quá trình hô hấp của thực vật tăng lên do sinh khối rễ lớn hơn (Hungate và cộng sự 1997), hoặc do quá trình phân hủy SOM tăng nhanh thông qua hoạt động của vi sinh vật tăng lên (Zak và cộng sự. 2000). Tương tự như vậy, nhiệt độ tăng có thể tác động đến cân bằng carbon bằng cách hạn chế lượng nước sẵn có và do đó làm giảm tốc độ quang hợp. Ngoài ra, khi lượng nước không bị hạn chế, nhiệt độ tăng có thể làm tăng năng suất cây trồng, điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến cân bằng carbon (Maracchi và cộng sự 2005). Nhiệt độ tăng cũng có thể dẫn đến tốc độ phân hủy SOM cao hơn, từ đó có thể tạo ra nhiều CO 2 hơn , dẫn đến những phản hồi tích cực về biến đổi khí hậu (Pataki và cộng sự 2003). Ở quy mô lưu vực sông hoặc cánh đồng trồng trọt, khả năng cô lập carbon của đất có thể bị ảnh hưởng bởi các biện pháp kiểm soát cục bộ đối với các quá trình của hệ sinh thái. Các quá trình như thấm nước mưa, xói mòn đất và lắng đọng trầm tích cũng như nhiệt độ đất có thể khác nhau ở quy mô địa phương do tính không đồng nhất của cảnh quan - tất cả đều ảnh hưởng đến lượng carbon đầu vào và tốc độ mất carbon (Hình 6), dẫn đến sự khác biệt về hàm lượng SOC dọc theo địa hình độ dốc (Thompson và Kolka 2005). Ví dụ, vị trí độ dốc tác động đến độ ẩm và mức độ dinh dưỡng của đất, sau đó tác động đến sự phát triển của rễ cây và có thể gây ra hậu quả đối với carbon trong đất (Ehrenfeld et al.. 1992). Tác động tổng hợp của những thay đổi về lượng carbon đầu vào và tổn thất từ ​​việc sử dụng đất, quản lý đất đai và các tác động ở cấp độ cảnh quan đối với tỷ lệ lượng carbon đầu vào và tổn thất dẫn đến sự thay đổi về khả năng cô lập carbon giữa các cảnh quan. Hình 6: Tính không đồng nhất của cảnh quan do vị trí cảnh quan dọc theo sườn đồi và những tác động có thể có đối với các quá trình sinh lý ảnh hưởng đến lượng carbon đầu vào và thất thoát. Các vùng tối hơn trên thanh biểu thị tỷ lệ cao hơn. © 2012 Nature Education Hình ảnh được cung cấp bởi Todd Ontl. Đã đăng ký Bản quyền. Tiềm năng cô lập carbon có thể được xác định bằng sự hiểu biết về trữ lượng SOC lịch sử dưới thảm thực vật tự nhiên trước khi chuyển đổi sang các mục đích sử dụng khác và ảnh hưởng của việc sử dụng đất đó đến sự mất mát carbon. Việc quản lý và sử dụng đất làm giảm lượng carbon đầu vào hoặc tăng tổn thất so với thảm thực vật tự nhiên dẫn đến giảm SOC theo thời gian, tạo ra sự thiếu hụt carbon trong đất so với mức carbon tồn tại trước đây trong đất. Sự thâm hụt này thể hiện cơ hội lưu trữ carbon từ các chuyển đổi trong quản lý và sử dụng đất khi những thay đổi đó dẫn đến tăng đầu vào hoặc giảm tổn thất carbon. Ví dụ, trồng lại rừng hoặc phục hồi đồng cỏ trên cánh đồng trồng trọt trước đây có thể làm giảm lượng carbon thâm hụt do nhiều năm sản xuất nông nghiệp và hấp thụ carbon thông qua năng suất rễ cao hơn so với cây trồng. Tương tự như vậy, việc tạo ra các vùng đất ngập nước và ao hồ có thể cô lập một lượng lớn carbon vì khả năng phân hủy giảm đáng kể ở đất ngập nước do thiếu oxy; điều này thực sự có thể dẫn đến lượng carbon thu được vượt quá mức thâm hụt do sử dụng đất trong quá khứ. Các biện pháp quản lý khác như tưới tiêu cho đồng cỏ hoặc vùng đất chăn nuôi cũng có thể làm tăng lượng carbon vượt quá trữ lượng SOC lịch sử nếu lượng carbon đầu vào dưới sự quản lý mới vượt quá nhiều mức trong điều kiện tự nhiên. Tác động của quản lý đất đai đối với cấp độ SOC, đặc biệt là tác động của quản lý trong môi trường nông nghiệp, là chủ đề của nhiều nghiên cứu hiện nay (Bảng 1). Tuy nhiên, những thay đổi về carbon trong đất này thường phải mất nhiều thập kỷ mới xảy ra, khiến cho việc đo lường thực tế những thay đổi về trữ lượng SOC trở nên khó khăn. việc tạo ra các vùng đất ngập nước và ao hồ có thể cô lập một lượng lớn carbon vì khả năng phân hủy giảm đi đáng kể ở vùng đất ngập nước do thiếu oxy; điều này thực sự có thể dẫn đến lượng carbon thu được vượt quá mức thâm hụt do sử dụng đất trong quá khứ. Các biện pháp quản lý khác như tưới tiêu cho đồng cỏ hoặc vùng đất chăn nuôi cũng có thể làm tăng lượng carbon vượt quá trữ lượng SOC lịch sử nếu lượng carbon đầu vào dưới sự quản lý mới vượt quá nhiều mức trong điều kiện tự nhiên. Tác động của quản lý đất đai đối với cấp độ SOC, đặc biệt là tác động của quản lý trong môi trường nông nghiệp, là chủ đề của nhiều nghiên cứu hiện nay (Bảng 1). Tuy nhiên, những thay đổi về carbon trong đất này thường phải mất nhiều thập kỷ mới xảy ra, khiến cho việc đo lường thực tế những thay đổi về trữ lượng SOC trở nên khó khăn. việc tạo ra các vùng đất ngập nước và ao hồ có thể cô lập một lượng lớn carbon vì khả năng phân hủy giảm đi đáng kể ở vùng đất ngập nước do thiếu oxy; điều này thực sự có thể dẫn đến lượng carbon thu được vượt quá mức thâm hụt do sử dụng đất trong quá khứ. Các biện pháp quản lý khác như tưới tiêu cho đồng cỏ hoặc vùng đất chăn nuôi cũng có thể làm tăng lượng carbon vượt quá trữ lượng SOC lịch sử nếu lượng carbon đầu vào dưới sự quản lý mới vượt quá nhiều mức trong điều kiện tự nhiên. Tác động của quản lý đất đai đối với cấp độ SOC, đặc biệt là tác động của quản lý trong môi trường nông nghiệp, là chủ đề của nhiều nghiên cứu hiện nay (Bảng 1). Tuy nhiên, những thay đổi về carbon trong đất này thường phải mất nhiều thập kỷ mới xảy ra, khiến cho việc đo lường thực tế những thay đổi về trữ lượng SOC trở nên khó khăn. Bảng 1: Các biện pháp quản lý khả thi để tăng mức SOC thông qua giảm tổn thất carbon và tăng lượng carbon đầu vào trong hệ thống nông nghiệp.

© 2012 Nature Education Mọi quyền được bảo lưu. Phần kết luận

SOC là thành phần quan trọng của đất có tác dụng quan trọng đối với hoạt động của hệ sinh thái trên cạn. Việc lưu trữ SOC là kết quả của sự tương tác giữa các quá trình sinh thái năng động như quang hợp, phân hủy và hô hấp của đất. Các hoạt động của con người trong suốt 150 năm qua đã dẫn đến những thay đổi trong các quá trình này và do đó làm cạn kiệt SOC và làm trầm trọng thêm tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu. Nhưng những hoạt động này của con người hiện nay cũng tạo cơ hội để cô lập carbon trở lại đất. Sự nóng lên trong tương lai và lượng CO2 tăng cao , các mô hình sử dụng đất trong quá khứ và các chiến lược quản lý đất đai, cùng với tính không đồng nhất về mặt vật lý của cảnh quan được cho là sẽ tạo ra các mô hình phức tạp về khả năng SOC trong đất.