Khả năng hấp thụ carbon của hệ thống nông nghiệp hữu cơ

Sơ đồ minh hoạ

Tóm tắt: Nông nghiệp hữu cơ không chỉ hướng tới giảm sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật hóa học mà còn có khả năng gia tăng tích lũy carbon trong đất thông qua bổ sung vật chất hữu cơ, đa dạng hóa cây trồng, sử dụng cây che phủ, luân canh, hoàn trả phụ phẩm và giảm cường độ làm đất. Carbon được hấp thụ từ khí quyển thông qua quang hợp, sau đó được chuyển vào sinh khối thực vật, rễ và đất; một phần tiếp tục được ổn định dưới dạng carbon hữu cơ trong đất. Nhiều nghiên cứu phân tích gộp cho thấy đất canh tác hữu cơ có xu hướng chứa hàm lượng và trữ lượng carbon hữu cơ cao hơn so với hệ thống canh tác thông thường. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ carbon phụ thuộc mạnh vào loại đất, khí hậu, cây trồng, lượng vật chất hữu cơ đưa vào, phương thức quản lý và thời gian duy trì. Vì vậy, phát huy vai trò của nông nghiệp hữu cơ trong giảm phát thải khí nhà kính cần được tiếp cận theo toàn bộ hệ thống, đồng thời xây dựng cơ chế đo đạc, báo cáo và thẩm định lượng carbon được lưu giữ trong đất.

Từ khóa: nông nghiệp hữu cơ; carbon hữu cơ trong đất; hấp thụ carbon; biến đổi khí hậu; đất nông nghiệp; canh tác carbon; phát triển bền vững.

Abstract: Organic agriculture aims not only to reduce the use of synthetic fertilizers and chemical pesticides but also has the potential to enhance carbon sequestration in soils through the addition of organic matter, crop diversification, cover cropping, crop rotation, the return of agricultural residues, and reduced tillage intensity. Carbon is absorbed from the atmosphere through photosynthesis and subsequently transferred into plant biomass, roots, and soil; part of this carbon is further stabilized as soil organic carbon. Numerous meta-analyses have shown that organically managed soils tend to contain higher concentrations and stocks of soil organic carbon than conventionally managed systems. However, carbon sequestration capacity is strongly influenced by soil type, climate, crop species, the amount of organic matter added, management practices, and the duration of management. Therefore, enhancing the role of organic agriculture in mitigating greenhouse gas emissions requires a whole-system approach, together with the development of mechanisms for measuring, reporting, and verifying the amount of carbon stored in agricultural soils.

Keywords: organic agriculture; soil organic carbon; carbon sequestration; climate change; agricultural soils; carbon farming; sustainable development.

1. Đặt vấn đề

Biến đổi khí hậu đang đặt ra yêu cầu chuyển đổi mạnh mẽ phương thức sản xuất nông nghiệp theo hướng sử dụng hiệu quả tài nguyên, giảm phát thải và tăng khả năng hấp thụ carbon. Trong quá trình này, đất nông nghiệp không chỉ là tư liệu sản xuất mà còn là một bể chứa carbon quan trọng của hệ sinh thái.

Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO), lớp đất sâu 1 m trên toàn cầu chứa khoảng 1.417 tỷ tấn carbon, gần gấp đôi lượng carbon hiện có trong khí quyển. FAO đồng thời nhấn mạnh rằng carbon hữu cơ trong đất có vai trò quan trọng đối với độ phì, sức khỏe đất, khả năng giữ nước và các dịch vụ hệ sinh thái. Tuy nhiên, quá trình tích lũy carbon trong đất diễn ra tương đối chậm và có thể đảo ngược nếu đất bị suy thoái hoặc quản lý không bền vững.

Nông nghiệp hữu cơ được xem là một trong những hệ thống sản xuất có tiềm năng cải thiện chất lượng đất và gia tăng tích lũy carbon. Điểm khác biệt quan trọng của hệ thống này là việc coi đất như một hệ sinh thái sống, trong đó cây trồng, rễ cây, vi sinh vật, chất hữu cơ và dinh dưỡng được quản lý theo mối quan hệ tương hỗ.

Một phân tích gộp công bố năm 2024, tổng hợp 64 nghiên cứu thực nghiệm so sánh nông nghiệp hữu cơ và thông thường trong giai đoạn 1950-2023, cho thấy nồng độ carbon hữu cơ trong đất và lượng carbon lưu trữ trong đất đều cao hơn một cách có ý nghĩa thống kê dưới hệ thống hữu cơ, dù mức độ khác biệt thay đổi theo loại đất và điều kiện môi trường.

Điều này cho thấy khả năng hấp thụ carbon của nông nghiệp hữu cơ không chỉ nằm ở việc “trồng cây để hút CO₂”, mà là khả năng xây dựng một chu trình carbon tương đối khép kín từ cây trồng, vật nuôi, phụ phẩm, đất và vi sinh vật.

2. Cơ chế hấp thụ và lưu giữ carbon trong hệ thống hữu cơ

Carbon bắt đầu từ quá trình quang hợp. Nguồn carbon đầu tiên của hệ thống nông nghiệp là CO₂ trong khí quyển. Thông qua quá trình quang hợp, cây trồng hấp thụ CO₂ và chuyển carbon thành các hợp chất hữu cơ để hình thành thân, lá, rễ, hạt và các bộ phận sinh trưởng khác.

Một phần carbon được đưa trở lại đất thông qua rễ chết, dịch tiết của rễ, tàn dư thực vật và phân hữu cơ. Vi sinh vật đất tiếp tục phân giải các hợp chất này. Một phần carbon được giải phóng trở lại khí quyển dưới dạng CO₂ do hô hấp; phần còn lại trở thành các dạng chất hữu cơ trong đất.

Do đó, “hấp thụ carbon” trong nông nghiệp cần được hiểu chính xác hơn là quá trình tăng lượng carbon được lưu giữ trong các bể carbon của hệ thống, đặc biệt là đất và sinh khối lâu dài. FAO cho rằng quản lý đất bền vững có thể duy trì và gia tăng carbon hữu cơ trong đất, đồng thời đem lại lợi ích kép về giảm nhẹ biến đổi khí hậu và cải thiện an ninh lương thực. Vai trò trung tâm của carbon hữu cơ trong đất

Carbon hữu cơ trong đất (Soil Organic Carbon - SOC) là một chỉ tiêu quan trọng phản ánh chất lượng và sức khỏe đất. Khi hàm lượng SOC tăng, đất thường có khả năng giữ nước, hình thành cấu trúc viên tốt hơn và cung cấp môi trường thuận lợi hơn cho hệ vi sinh vật. Trong hệ thống hữu cơ, nguồn carbon đưa vào đất có thể đến từ phân chuồng đã xử lý, compost, phân xanh, tàn dư cây trồng, cây che phủ, rễ cây và các vật liệu hữu cơ khác.

Một nghiên cứu phân tích gộp về các biện pháp quản lý trong hệ thống nông nghiệp hữu cơ cho thấy các biện pháp cải thiện quản lý đất hữu cơ có liên quan tới mức tăng trung bình khoảng 18% nồng độ SOC và 30% carbon sinh khối vi sinh vật so với các đối chứng hữu cơ; trong đó bổ sung vật chất hữu cơ và làm đất bảo tồn là những nhóm biện pháp có tác động đáng kể đến SOC.

3. Những thực hành hữu cơ có khả năng tăng tích lũy carbon

Bổ sung compost và phân hữu cơ: Compost là một trong những công cụ quan trọng để đưa carbon từ phụ phẩm nông nghiệp trở lại đất. Quá trình ủ làm ổn định một phần vật chất hữu cơ, giảm nguy cơ phân hủy quá nhanh sau khi bón và tạo nguồn carbon cho hệ vi sinh vật đất.

Tuy nhiên, không phải toàn bộ carbon trong compost đều được giữ lại trong đất. Một phần tiếp tục bị khoáng hóa và phát thải CO₂. Vì vậy, hiệu quả hấp thụ carbon phụ thuộc vào chất lượng compost, mức độ ổn định của vật chất hữu cơ, liều lượng sử dụng, loại đất và điều kiện khí hậu.

Nghiên cứu của FAO về nông nghiệp hữu cơ và biến đổi khí hậu cũng chỉ ra rằng compost, phân chuồng và cây họ đậu là những nguồn vật chất có khả năng góp phần chuyển carbon vào đất hiệu quả hơn so với một số loại phụ phẩm cây trồng dễ bị khoáng hóa nhanh.

Luân canh và đa dạng hóa cây trồng: Luân canh làm tăng tính đa dạng của hệ thống rễ, kéo dài thời gian đất được thực vật che phủ và tạo ra nhiều loại phụ phẩm hữu cơ khác nhau. Khi cây họ đậu được đưa vào hệ thống, ngoài khả năng cung cấp sinh khối, chúng còn góp phần cung cấp nitrogen sinh học, qua đó hỗ trợ quá trình hình thành sinh khối và tích lũy carbon.

Một hệ thống luân canh hợp lý vì thế có thể tạo ra dòng carbon liên tục từ khí quyển xuống sinh khối rồi trở lại đất. Cây che phủ: Đất trống giữa hai vụ sản xuất là một trong những thời kỳ dễ xảy ra xói mòn và mất carbon. Cây che phủ giúp duy trì rễ sống, bổ sung sinh khối và giảm tác động trực tiếp của mưa, nắng lên bề mặt đất.

Một phân tích gộp công bố năm 2024 trên 71 nghiên cứu độc lập cho thấy cây che phủ làm tăng đáng kể một số bể carbon trong lớp đất mặt; carbon hữu cơ liên kết với khoáng vật tăng khoảng 4,8%, carbon hữu cơ dạng hạt tăng 23,2% và carbon sinh khối vi sinh vật tăng 20,2% so với không sử dụng cây che phủ.

Đây là bằng chứng quan trọng cho thấy khả năng hấp thụ carbon không nhất thiết phải phụ thuộc vào việc tăng lượng phân hữu cơ. Việc duy trì thảm thực vật và rễ sống trong thời gian dài cũng là một giải pháp quan trọng.

Giảm cường độ làm đất: Cày xới quá mức có thể phá vỡ cấu trúc đất, thúc đẩy quá trình phân hủy chất hữu cơ và làm tăng nguy cơ xói mòn. Vì vậy, giảm làm đất hoặc áp dụng các hình thức làm đất bảo tồn được xem là một trong những giải pháp hỗ trợ duy trì SOC.

Một phân tích gộp năm 2024 về canh tác bảo tồn cho thấy giảm làm đất, không làm đất và hoàn trả rơm rạ có khả năng cải thiện trữ lượng carbon hữu cơ trong đất; đồng thời một số phương thức còn góp phần giảm phát thải N₂O.

Tuy nhiên, trong nông nghiệp hữu cơ, giảm làm đất cần được thiết kế phù hợp với từng cây trồng. Nếu thiếu giải pháp kiểm soát cỏ dại, việc giảm cày xới có thể tạo ra những đánh đổi về năng suất hoặc tăng nhu cầu lao động.

4. Carbon trong đất: từ “lưu giữ” đến “ổn định”

Một vấn đề quan trọng khi đánh giá khả năng hấp thụ carbon của nông nghiệp hữu cơ là không nên chỉ tính lượng carbon được đưa vào đất. Điều quan trọng hơn là carbon tồn tại trong đất bao lâu và ở dạng nào.

Carbon hữu cơ trong đất có thể tồn tại dưới dạng vật chất hữu cơ dễ phân hủy, carbon dạng hạt, carbon trong sinh khối vi sinh vật hoặc carbon liên kết với khoáng vật. Trong đó, các dạng carbon được bảo vệ về mặt vật lý hoặc liên kết với khoáng vật thường có thời gian tồn tại lâu hơn. Do vậy, một hệ thống muốn gia tăng khả năng lưu trữ carbon dài hạn phải đồng thời tăng lượng carbon đầu vào và giảm tốc độ carbon bị phân giải.

Kết quả nghiên cứu toàn cầu về phân bón hữu cơ và vô cơ công bố trên Nature Communications năm 2024, dựa trên 537 thí nghiệm ở đồng cỏ và đất trồng trọt, cho thấy bón phân hữu cơ làm tăng carbon hữu cơ trong đất ở đồng cỏ khoảng 19% so với đối chứng và khoảng 15% so với bón phân vô cơ. Nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả phụ thuộc vào điều kiện sinh thái và không giống nhau giữa đồng cỏ và đất trồng cây hàng năm. Điều này cho thấy không thể sử dụng một hệ số hấp thụ carbon cố định cho mọi mô hình nông nghiệp hữu cơ.

5. Những yếu tố quyết định khả năng hấp thụ carbon

Khả năng tích lũy carbon của hệ thống hữu cơ chịu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố. Thứ nhất là loại đất. Đất có hàm lượng sét cao thường có khả năng bảo vệ carbon tốt hơn đất cát do carbon có thể liên kết với khoáng vật. Phân tích gộp năm 2024 cho thấy ảnh hưởng của nông nghiệp hữu cơ đến nồng độ và trữ lượng SOC khác nhau đáng kể giữa các nhóm kết cấu đất; đất có thành phần mịn cho mức phản ứng tích cực cao hơn.

Thứ hai là khí hậu. Nhiệt độ, lượng mưa và độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của vi sinh vật và tốc độ phân hủy chất hữu cơ.

Thứ ba là lượng carbon đầu vào. Một hệ thống chỉ có thể duy trì hoặc tăng SOC nếu lượng carbon được đưa vào đất đủ lớn so với lượng carbon mất đi qua hô hấp, xói mòn, thu hoạch và các quá trình khác.

Thứ tư là thời gian. Tích lũy carbon trong đất thường là quá trình dài hạn. FAO lưu ý rằng hấp thụ carbon hữu cơ trong đất là quá trình chậm và có thể đảo ngược.

Thứ năm là cách quản lý tổng thể. Một trang trại có thể sử dụng phân hữu cơ nhưng vẫn mất carbon nếu đất bị cày xới mạnh, xói mòn hoặc để trống kéo dài. Ngược lại, một hệ thống kết hợp compost, cây che phủ, luân canh, giảm làm đất và hoàn trả phụ phẩm có khả năng tạo ra hiệu ứng cộng hưởng.

6. Nông nghiệp hữu cơ và giảm phát thải khí nhà kính

Khả năng hấp thụ carbon chỉ là một phần trong đóng góp của nông nghiệp hữu cơ đối với biến đổi khí hậu. Một hệ thống hữu cơ có thể đồng thời tác động tới nhiều nguồn phát thải: sản xuất và sử dụng phân bón vô cơ, quản lý đất, sử dụng năng lượng, đốt phụ phẩm, chăn nuôi và vận chuyển vật tư.

FAO từng xác định quản lý dinh dưỡng hợp lý và giảm phụ thuộc vào phân bón khoáng là một trong những hướng có tiềm năng giảm phát thải N₂O; đồng thời tích lũy carbon trong đất là một cơ chế quan trọng để tăng khả năng giảm nhẹ biến đổi khí hậu của nông nghiệp hữu cơ.

Tuy nhiên, cần tránh đồng nhất “hữu cơ” với “không phát thải”. Sử dụng quá nhiều phân hữu cơ, vận chuyển vật liệu hữu cơ ở khoảng cách xa, quản lý phân chuồng không phù hợp hoặc phát thải methane và N₂O trong chăn nuôi vẫn có thể làm tăng dấu chân khí hậu. Do đó, đánh giá hiệu quả khí hậu của nông nghiệp hữu cơ cần dựa trên cân bằng carbon và phát thải khí nhà kính của toàn hệ thống, thay vì chỉ dựa vào hàm lượng carbon trong đất.

7. Khả năng ứng dụng tại Việt Nam

Việt Nam có nhiều điều kiện để phát triển các mô hình nông nghiệp hữu cơ theo hướng gia tăng tích lũy carbon. Hệ thống sản xuất đa dạng từ lúa nước, cây ăn quả, rau màu, chè, cà phê, hồ tiêu đến chăn nuôi và lâm nghiệp tạo ra nguồn sinh khối lớn có thể được tái sử dụng.

Trong sản xuất lúa, rơm rạ có thể được xử lý để làm compost hoặc vật liệu hữu cơ thay vì đốt ngoài đồng. Trong cây ăn quả và cây công nghiệp lâu năm, việc duy trì thảm thực vật, sử dụng vật liệu phủ đất, phân compost và trồng cây họ đậu giữa các hàng cây có thể góp phần tăng carbon hữu cơ.

Đối với chè, cà phê và các cây lâu năm, việc duy trì lớp phủ hữu cơ trên bề mặt, hoàn trả cành lá sau xử lý phù hợp, sử dụng phân hữu cơ và hạn chế xói mòn có ý nghĩa đặc biệt vì đất có thể được duy trì liên tục dưới thảm thực vật trong nhiều năm.

Trong chăn nuôi hữu cơ, phân gia súc, gia cầm nếu được thu gom và ủ đúng kỹ thuật có thể trở thành nguồn vật chất hữu cơ cho đất. Việc kết hợp trồng trọt - chăn nuôi theo mô hình tuần hoàn sẽ làm tăng khả năng giữ lại carbon trong phạm vi trang trại và giảm nhu cầu sử dụng đầu vào từ bên ngoài. Đối với Việt Nam, hướng tiếp cận phù hợp không phải chỉ là mở rộng diện tích hữu cơ mà cần xây dựng hệ thống nông nghiệp hữu cơ có khả năng tuần hoàn carbon.

8. Đo đạc và xác nhận lượng carbon hấp thụ

Một trong những thách thức hiện nay là lượng carbon được tích lũy trong đất không thể được xác định chính xác chỉ bằng việc quan sát cây trồng hoặc tính lượng phân hữu cơ đã bón.

Cần tiến hành lấy mẫu đất theo các tầng sâu nhất quán, xác định hàm lượng SOC, khối lượng riêng của đất, diện tích canh tác và sự thay đổi theo thời gian. Đồng thời cần theo dõi các dòng carbon vào - ra khỏi hệ thống.

Một mô hình canh tác hữu cơ muốn tham gia thị trường carbon trong tương lai cần xây dựng hệ thống MRV - Measurement, Reporting and Verification, tức đo đạc, báo cáo và thẩm định.

Đây là yêu cầu quan trọng bởi carbon trong đất có tính biến động và có nguy cơ “đảo ngược” nếu đất được chuyển đổi phương thức sử dụng hoặc quản lý không bền vững. FAO cũng nhấn mạnh rằng quá trình hấp thụ và duy trì SOC cần được theo dõi và bảo vệ trong dài hạn.

9. Một số giải pháp nâng cao khả năng hấp thụ carbon

Để phát huy vai trò của nông nghiệp hữu cơ trong giảm phát thải và hấp thụ carbon, cần tập trung vào năm nhóm giải pháp.

Một là, tăng lượng carbon hữu cơ đầu vào, thông qua compost, phân chuồng được xử lý, phân xanh, phụ phẩm và cây che phủ.

Hai là, giảm tổn thất carbon, bằng cách hạn chế xói mòn, giảm cày xới quá mức, duy trì lớp phủ đất và tăng thời gian có rễ sống.

Ba là, đa dạng hóa hệ thống sản xuất, kết hợp luân canh, xen canh, cây họ đậu, cây lâu năm và chăn nuôi phù hợp.

Bốn là, quản lý carbon theo chuỗi giá trị, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp tại chỗ thay vì vận chuyển hoặc xử lý theo cách làm phát sinh thêm khí nhà kính.

Năm là, xây dựng cơ sở dữ liệu carbon đất, từ cấp trang trại đến vùng sản xuất, làm nền tảng cho kiểm kê phát thải, chứng nhận sản phẩm và phát triển thị trường carbon.

10. Kết luận

Nông nghiệp hữu cơ có tiềm năng đáng kể trong việc gia tăng carbon hữu cơ trong đất và nâng cao khả năng lưu giữ carbon của hệ sinh thái nông nghiệp. Cơ chế này được hình thành từ sự kết hợp của quang hợp, tích lũy sinh khối, phát triển hệ rễ, bổ sung vật chất hữu cơ, hoạt động của vi sinh vật và các quá trình ổn định carbon trong đất.

Các bằng chứng nghiên cứu gần đây cho thấy hệ thống hữu cơ có xu hướng làm tăng SOC và trữ lượng carbon so với canh tác thông thường, nhưng mức độ tăng không đồng nhất giữa các vùng. Kết quả phụ thuộc vào kết cấu đất, khí hậu, cây trồng, nguồn carbon đầu vào, phương thức làm đất và thời gian quản lý.

Vì vậy, không nên xem nông nghiệp hữu cơ đơn thuần là một phương thức thay thế phân bón và thuốc bảo vệ thực vật hóa học. Giá trị lớn hơn của hệ thống này nằm ở khả năng tái thiết lập chu trình carbon - dinh dưỡng - sinh học trong đất.

Trong bối cảnh Việt Nam hướng tới phát triển nông nghiệp sinh thái, kinh tế tuần hoàn và mục tiêu phát thải ròng bằng “0” vào năm 2050, tăng carbon hữu cơ trong đất có thể trở thành một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng chuyển đổi xanh của ngành nông nghiệp. Tuy nhiên, để biến tiềm năng này thành giá trị kinh tế và môi trường có thể kiểm chứng, cần tiếp tục nghiên cứu dài hạn, chuẩn hóa phương pháp đo SOC, xây dựng hệ thống MRV và lượng hóa chính xác cân bằng phát thải của từng mô hình.

Nói cách khác, đất khỏe không chỉ tạo ra mùa màng tốt hơn mà còn có thể trở thành một “kho carbon” của nền nông nghiệp xanh. Phát triển nông nghiệp hữu cơ vì thế cần được nhìn nhận đồng thời dưới ba góc độ: sản xuất thực phẩm an toàn, phục hồi hệ sinh thái đất và tăng khả năng hấp thụ carbon trong dài hạn./.

Tài liệu tham khảo:

- FAO. (2021). FAO launches practical tools to encourage soil organic carbon sequestration. Food and Agriculture Organization of the United Nations.

- FAO. (n.d.). The role of soil organic carbon in climate change and food security. Food and Agriculture Organization of the United Nations.

- Scialabba, N. E.-H., & Müller-Lindenlauf, M. (2010). Organic agriculture and climate change. Renewable Agriculture and Food Systems, 25(2), 158–169.

- Crystal-Ornelas, R., Thapa, R., & Tully, K. L. (2021). Soil organic carbon is affected by organic amendments, conservation tillage, and cover cropping in organic farming systems: A meta-analysis. Agriculture, Ecosystems & Environment.

- Shi, T.-S., Collins, S. L., Yu, K., et al. (2024). A global meta-analysis on the effects of organic and inorganic fertilization on grasslands and croplands. Nature Communications, 15, 3411.

- Liu, C., He, C., Chang, S. X., et al. (2024). Fertilization and tillage influence on soil organic carbon fractions: A global meta-analysis. CATENA, 246, 108404.

- Meng, X., Meng, F., Chen, P., et al. (2024). A meta-analysis of conservation tillage management effects on soil organic carbon sequestration and soil greenhouse gas flux. - Science of the Total Environment, 954, 176315.

- Fohrafellner, J., et al. (2024). Cover crops affect pool specific soil organic carbon in cropland – A meta-analysis. European Journal of Soil Science.

- Contrasting Soil Organic Carbon Concentrations and Mass Storage Between --Conventional Farming and Organic Farming: A Meta-Analysis. (2024). Sustainability, 16(24), 11260.