Lúa gạo nuôi hơn một nửa thế giới nhưng phát thải khí nhà kính đang tăng mạnh

Từ những thửa ruộng bậc thang ở Đông Nam Á đến các cánh đồng được tưới tiêu quy mô lớn tại Trung Quốc và Ấn Độ, cây lúa từ lâu đã đóng vai trò trung tâm trong hệ thống lương thực thế giới. Nhưng đằng sau vai trò bảo đảm an ninh lương thực cho hàng tỷ người là một thực tế ít được chú ý hơn: các ruộng lúa ngập nước là nguồn phát thải đáng kể các loại khí gây hiệu ứng nhà kính.

Kết quả này cho thấy sản xuất lúa hiện là nguồn phát thải lớn nhất trong nông nghiệp nếu không tính lĩnh vực chăn nuôi. Trong bối cảnh dân số thế giới tiếp tục tăng và nhu cầu tiêu thụ gạo vẫn được dự báo gia tăng trong nhiều thập kỷ tới, áp lực môi trường từ ngành lúa gạo cũng sẽ ngày càng lớn hơn.

MỞ RỘNG DIỆN TÍCH VÀ THÂM CANH CANH TÁC ĐANG THÚC ĐẨY PHÁT THẢI TĂNG MẠNH

Theo nghiên cứu, sự gia tăng phát thải từ ruộng lúa trong hơn 60 năm qua xuất phát từ hai nguyên nhân chính: diện tích trồng lúa mở rộng nhanh và các hoạt động canh tác ngày càng thâm canh hơn.

Hơn một nửa mức tăng phát thải toàncầu có liên quan trực tiếp đến việc mở rộng diện tích canh tác. Tại châu Phi, diện tích trồng lúa đã tăng gần gấp đôi kể từ những năm 1960, kéo theo lượng phát thải methane trong khu vực cũng tăng khoảng hai lần.

Song song với việc mở rộng diện tích, nông dân ở nhiều quốc gia cũng tăng cường sử dụng phân bón, phân chuồng, rơm rạ và các vật liệu hữu cơ khác nhằm nâng cao độ phì nhiêu của đất. Những giống lúa năng suất cao được đưa vào sản xuất rộng rãi hơn, mật độ gieo cấy tăng lên và các hệ thống tưới tiêu được cải thiện để tối đa hóa sản lượng.

Những thay đổi này góp phần quan trọng giúp đáp ứng nhu cầu lương thực của dân số toàn cầu đang tăng nhanh. Tuy nhiên, mặt trái là lượng khí nhà kính phát sinh từ các cánh đồng lúa cũng tăng theo.

Một trong những phát hiện đáng chú ý của nghiên cứu là vai trò của việc quản lý rơm rạ sau thu hoạch. Tại nhiều vùng trồng lúa, nông dân thường để lại phần thân cây lúa trên đồng rồi cày vùi xuống đất nhằm cải thiện độ màu mỡ của ruộng. Theo các nhà khoa học, thực hành này chiếm khoảng 18% mức gia tăng phát thải ròng từ ngành lúa gạo kể từ thập niên 1960.

Nguyên nhân nằm ở chỗ lượng chất hữu cơ bổ sung vào đất trở thành nguồn thức ăn dồi dào cho các vi sinh vật sống trong môi trường ngập nước. Khi phân hủy các chất hữu cơ này trong điều kiện thiếu oxy, vi sinh vật tạo ra lượng lớn khí methane - một loại khí nhà kính có khả năng giữ nhiệt mạnh hơn nhiều lần so với CO₂.

Không chỉ các hoạt động sản xuất, biến đổi khí hậu cũng đang góp phần làm gia tăng phát thải từ ruộng lúa. Nhiệt độ toàn cầu tăng lên thúc đẩy hoạt động của các vi sinh vật trong đất, qua đó làm tăng tốc độ sản sinh methane và các loại khí khác.

Việc sử dụng phân bón hóa học cũng là một nguồn phát thải đáng kể. Nghiên cứu cho thấy lượng phân đạm tổng hợp được sử dụng trên toàn cầu đã tăng khoảng 76% kể từ năm 2000. Sự gia tăng này kéo theo lượng phát thải nitrous oxide (N₂O) - loại khí nhà kính có tiềm năng làm nóng lên toàn cầu mạnh gấp hàng trăm lần so với CO₂ trong chu kỳ 100 năm.

Theo nhóm nghiên cứu, phát thải nitrous oxide liên quan đến hoạt động của con người hiện chiếm khoảng 9% mức gia tăng phát thải ròng toàn cầu.

Các phương thức tưới tiêu cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng khí thải từ sản xuất lúa.

Trong nhiều thập kỷ, các ruộng lúa tại nhiều quốc gia được duy trì ngập nước liên tục trong suốt mùa vụ. Điều này tạo môi trường lý tưởng cho các vi sinh vật yếm khí phát triển và sản sinh methane.

Tuy nhiên, khoảng 20 năm trở lại đây, ngày càng nhiều nông dân chuyển sang áp dụng phương thức tưới ngập xen kẽ khô. Theo đó, nước được tháo khỏi ruộng trong những khoảng thời gian nhất định trước khi tiếp tục tưới trở lại.

Biện pháp này đã giúp giảm đáng kể lượng methane phát sinh. Dù vậy, nghiên cứu cho thấy nó cũng có thể làm tăng nhẹ lượng nitrous oxide do quá trình chuyển đổi liên tục giữa điều kiện đất khô và đất ướt kích thích các phản ứng chuyển hóa nitơ trong đất.

ĐO LƯỜNG TÁC ĐỘNG KHÍ HẬU CỦA HẠT GẠO KHÔNG ĐƠN GIẢN NHƯ NHIỀU NGƯỜI VẪN NGHĨ

Theo các tác giả, việc đánh giá đầy đủ tác động khí hậu của ngành lúa gạo phức tạp hơn nhiều so với chỉ đo lường riêng lượng methane hay nitrous oxide phát thải từ ruộng lúa.

Trong thực tế, các hệ thống canh tác lúa vừa là nguồn phát thải khí nhà kính, vừa là nơi hấp thụ carbon từ khí quyển.

Trong quá trình sinh trưởng, cây lúa hấp thụ CO₂ thông qua quang hợp. Một phần carbon này được tích lũy trong thân cây, rễ và đất. Tuy nhiên, giữa các mùa vụ, đất canh tác cũng mất đi một lượng carbon đáng kể thông qua các quá trình sinh học và hóa học.

Đây cũng là lý do nhóm nghiên cứu kết hợp nhiều phương pháp phân tích khác nhau thay vì chỉ dựa vào dữ liệu quan trắc truyền thống.

Thứ nhất, các nhà khoa học sử dụng mô hình hệ sinh thái trên máy tính để mô phỏng quá trình sinh trưởng của cây lúa, điều kiện thủy văn, nhiệt độ đất và các phản ứng sinh hóa diễn ra trong hệ thống canh tác.

Thông qua mô hình này, họ có thể đồng thời ước tính lượng methane, nitrous oxide và biến động carbon trong đất trên quy mô toàn cầu.

Thứ hai, nhóm nghiên cứu ứng dụng công nghệ học máy dựa trên trí tuệ nhân tạo nhằm khắc phục tình trạng thiếu dữ liệu tại nhiều khu vực sản xuất lúa trên thế giới. Công nghệ này giúp cải thiện độ chính xác của các ước tính tại những vùng có ít điểm quan trắc thực địa.

Thứ ba, các nhà khoa học thực hiện phân tích tổng hợp từ hơn 1.200 địa điểm nghiên cứu thực địa trên toàn cầu. Đây là nguồn dữ liệu quan trọng giúp đánh giá trực tiếp tác động của các phương thức canh tác, chế độ tưới tiêu, sử dụng phân bón và quản lý phụ phẩm cây trồng đối với phát thải khí nhà kính.

Việc kết hợp đồng thời ba phương pháp cho phép nhóm nghiên cứu xây dựng bức tranh tương đối toàn diện về phát thải từ sản xuất lúa trong giai đoạn 1961-2020. Quan trọng hơn, họ cũng xác định được những yếu tố chính thúc đẩy phát thải và đánh giá hiệu quả của các giải pháp giảm thiểu trong điều kiện khí hậu tương lai.

GIẢM PHÁT THẢI MÀ KHÔNG GIẢM NĂNG SUẤT: CON ĐƯỜNG KHÔNG DỄ DÀNG

Một trong những kết luận quan trọng nhất của nghiên cứu là thế giới hoàn toàn có thể giảm phát thải từ sản xuất lúa mà vẫn duy trì sản lượng.

Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, việc kết hợp nhiều giải pháp như tối ưu hóa sử dụng phân bón, giảm lượng phụ phẩm hữu cơ đưa trở lại đồng ruộng, áp dụng tưới ngập xen kẽ khô và hạn chế cày xới đất có thể giúp giảm khoảng 10% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu từ ngành lúa gạo vào giữa thế kỷ này.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nêu rõ: không có giải pháp nào phù hợp cho mọi khu vực. Một phát hiện đáng chú ý là việc thay thế hoàn toàn phân bón hóa học bằng vật liệu hữu cơ không phải lúc nào cũng mang lại lợi ích về khí hậu.

Mặc dù đây là phương thức được đánh giá cao trong nông nghiệp hữu cơ, nhưng nếu sử dụng quá nhiều rơm rạ hoặc phân hữu cơ trong điều kiện ruộng ngập nước, lượng methane phát sinh có thể tăng lên đáng kể. Các nhà khoa học cho rằng duy trì lượng phụ phẩm ở mức hợp lý sẽ giúp cải thiện độ phì nhiêu của đất mà không làm phát thải tăng quá mức.

Một giải pháp khác đang nhận được nhiều sự quan tâm là chuyển đổi một phần phụ phẩm nông nghiệp thành than sinh học (biochar). Quá trình này được thực hiện bằng cách đốt sinh khối trong điều kiện thiếu oxy trước khi đưa trở lại đồng ruộng. Biochar có khả năng giữ carbon trong đất trong thời gian dài hơn, đồng thời giúp giảm lượng methane phát sinh từ môi trường ngập nước.

Quản lý nước tiếp tục được xem là một trong những công cụ giảm phát thải hiệu quả nhất hiện nay. Việc tháo nước định kỳ khỏi ruộng lúa có thể làm giảm đáng kể lượng methane, đặc biệt tại những khu vực có hệ thống thủy lợi phát triển ở châu Á.

Trong khi đó, việc sử dụng phân đạm hợp lý cũng mang lại nhiều lợi ích cùng lúc. Giảm bón thừa không chỉ giúp cắt giảm nitrous oxide mà còn hạn chế ô nhiễm nguồn nước và giảm chi phí sản xuất cho nông dân.

Đối với biện pháp giảm cày xới, hiệu quả lại phụ thuộc rất lớn vào điều kiện địa phương.

Tại các vùng ôn đới như phần lớn nước Mỹ và một số khu vực ở Trung Quốc, nhiệt độ thấp giúp hạn chế sự hình thành methane. Trong trường hợp này, lợi ích từ việc giữ lại carbon trong đất có thể lớn hơn rủi ro phát thải.

Ngược lại, ở các vùng khí hậu nóng và thường xuyên ngập nước, điều kiện thiếu oxy có thể thúc đẩy hoạt động của vi sinh vật, làm gia tăng phát thải methane và đẩy nhanh quá trình mất carbon trong đất.

Kết luận cuối cùng của nghiên cứu vừa mang lại hy vọng, vừa đặt ra nhiều suy ngẫm. Ngay cả khi toàn bộ nông dân trên thế giới áp dụng những biện pháp "nông nghiệp thông minh với khí hậu" tốt nhất hiện nay, lượng phát thải từ ngành lúa gạo cũng chỉ có thể giảm khoảng 10%.

Điều đó cho thấy tiềm năng giảm phát thải từ các giải pháp hiện có vẫn còn hạn chế. Để tiến xa hơn, thế giới sẽ cần những đột phá mới về công nghệ, giống cây trồng và phương thức quản lý đồng ruộng nhằm giảm mạnh phát thải mà không ảnh hưởng đến nguồn lương thực của hàng tỷ người.