Chương 1: TONG QUAN CAC VAN DE NGHIÊN CUU 1. TONG QUAN VE CARBON HUU CO DAT 1. Thành phan, nguồn gốc, vai trò của carbon hữu co dat Đất chứa carbon ở cả dang hữu cơ và vô cơ. Trong hau hết các loại đất (ngoại trừ đất đá vôi), phần lớn C được giữ dưới dang carbon hữu cơ trong đất (SOC).
Thuật ngữ chat hữu cơ trong dat (SOM) được sử dụng dé mô tả các thành phần hữu cơ trong đất (mô từ thực vật và động vật chết, các sản phẩm được tạo ra khi chúng phân hủy và sinh khối vi sinh vật trong đất). Thuật ngữ “carbon hữu cơ trong dat” dùng dé chỉ C xuất hiện trong đất ở SOM. Các hợp phần hữu cơ trong đất có thể được chia thành hai phần chính: phần sinh khối sinh vật sống và phần các chất hữu cơ không sống hay còn gọi là chất hữu cơ trong đất (SOM). Trong đó, SOM lại được chia nhỏ hơn thành các hợp phần hữu cơ chưa bị chuyên hóa và các hợp phần hữu cơ đã bị chuyển hóa.
Các sản phẩm của quá trình chuyên hóa chất hữu cơ trong đất bao gồm chất mùn và chất không phải chất mùn [Nguyễn Xuân Cự, 2016]. Chất hữu cơ không phải mùn là các hợp chất có thé nhận dạng như đường, axit amin va lipid, và các chất mùn là những hợp chất hữu cơ phức tap phần lớn không thé xác định được. Các hợp phan hữu cơ đã bị chuyên hóa là những vật liệu đã biến tính, phức tap và tương đối ôn định, chúng chiếm ưu thé (>90%) so với các hop phần hữu cơ chưa bị chuyên hóa, là những chất hữu co không ổn định, dé dang bi phân hủy [Gabrijel Ondrasek, 2019]. SOM tương đối 6n định (humics) chủ yếu được đại điện bởi carbon (40-60%) và một số nguyên tô khác (O 35-40%, H và N 4-6% mỗi nguyên tố, S 1%).
Trong quá trình phân hủy SOM, các nguyên tố này được giải phóng hau hết ở dạng khí, là nguồn phát thải khí nhà kính (CO2, CHa, N2O) quan trọng. Ngoài ra, các thành phần hữu cơ khác bao gồm các hợp chất chứa kim loại độc hại, các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy, được hấp thụ, kết hợp với SOM (ví dụ phức humic/ fulvate - kim loại). Chúng bị phân hủy và cuối cùng được khoáng hóa, từ đó tăng cường khả năng di chuyên của chat gây ô nhiễm trong môi trường. Vi vậy, ở quy mô toan cau, dat có 18 chức năng quan trọng trong chu trình tuần hoàn của C hữu cơ [ Lal, 2009].
Với sự thay đổi và biến đổi khí hậu do sự nóng lên toàn cau, xu hướng giảm hàm lượng SOM do quá trình khoáng hóa dự kiến sẽ trở nên tram trọng hơn. Chu trình và chức năng của chất hữu cơ đất được mô tả tóm tắt ở hình 1-1 sau: Nguồn NLvà chất dinh dưỡng Cải thiện sức khỏe hệ sinh thái Tăng cường đa dạng sinh học Tích lũy C/N Hấp thụ các chất HC (VC) Ngăn cản rửa trôi của các chất HC(VC) Tăng cường khả năng trao đối Cation SO¿°. H;S Phân hủy CO›. CH, N20, NHs = On định kết cau va cốt liệu của dat Cao thiện khả năng giữ nước của dat Ngăn chặn sự nén chat và xói mon dat Thay đôi các tính chât nhiệt của đât Nguồn năng lượng (sinh học) Giảm một sô dau vào sản xuât Cải thiện năng suất, chat lượng cây trong Hình 1-1: Chu trình và chức năng của chất hữu cơ đất (SOM) [Gabrijel Ondrasek, 2019] Chu trình carbon trong tự nhiên Chu trình carbon mô tả sự lưu trữ và trao đôi carbon giữa sinh quyên, khí quyền, thủy quyên và địa quyên do các quá trình hóa học, vật lý, địa chất và sinh học khác nhau.
Có năm bề chứa carbon chính là khí quyền, sinh quyền, đại đương, trầm tích và phần lõi của Trái đất. Các hoạt động của con người và hoạt động tự nhiên làm dịch chuyên carbon giữa các bể chứa. Các quá trình hấp thụ hay giải phóng carbon này thể hiện trong vòng tuần hoàn sinh hóa tự nhiên của carbon giữa khí quyên và các bề chứa. Sự cô lập carbon mô tả việc lưu trữ lâu dài carbon dioxide hoặc các dạng carbon khác dé giảm thiểu hoặc trì hoãn sự nóng lên toàn cầu và tránh biến đồi khí hậu.
Có nhiều hình thức dé tăng cường sự hấp thụ CO; trong các “bề chứa” carbon (đại đương, đất, thực vật) 19 và giảm bớt tốc độ giải phóng CO> từ chúng ra bầu khí quyền. Friedlingstein và các cộng sự (2022), nước mặt đại dương chứa 37.000 GtC, đất chứa 1.700 GtC, dat đóng băng chứa 1.400 GtC, trầm tích bề mặt đại dương chứa 1.750 GtC, khí quyền chứa 875 GtC, carbon hữu cơ trong dai dương chứa 700 GtC, thực vật cạn chứa 450 GtC, mỏ than chứa 560 GtC và các nguồn khác. Các bé chứa C này thường diễn ra đồng thời 2 quá trình giải phóng và hấp thụ C. Các quá trình hấp thụ thường chiếm ưu thế hơn so với giải phóng carbon trong tự nhiên, ví dụ như: Đại đương hấp thụ 92 GtC/năm nhưng giải phóng khoảng 90 GtC/năm.
Dat, thực vật và thực vật phân hủy giải phóng 121,6 GtC/năm nhưng chúng hấp thụ khoảng 121,8 GtC/năm. Tuy nhiên hiện nay với tình trạng nhiệt độ trái đất tăng cao, các thảm thực vật giảm bớt, hiện tượng sa mạc hóa diễn ra ở nhiều nơi. khiến cho xu hướng giải phóng carbon từ đất, đại dương vào khí quyền đang tăng lên và dé dàng hơn. Các hoạt động của con người (chủ yếu là đốt nhiên liệu hóa thạch, phá rừng và thay đổi việc sử dụng dat) cũng đã đóng góp lượng carbon đáng kể vào bầu khí quyền với khoảng 7,8 GtC/năm trong năm 2012 [IPCC, 2013] và tăng dần hằng năm.
Năm 2020, tông lượng phat thai CO do hoạt động của con người dat 10,2 + 0,8 GtC/năm và tổng nồng độ trung bình CO> trong khí quyên toàn cầu đạt 412,45 +0,1 ppm [P.Friedlingsteins và nnk, 2022] Chu trình carbon đóng một vai trò quan trọng trong khí hậu toàn cầu. Mặc dù chu trình carbon rat lớn, nhưng con người có thé tác động nó và làm thay đổi hệ sinh thái. Carbon dioxide thải ra khi đốt nhiên liệu hóa thạch cao gấp đôi lượng hap thụ C ròng từ thực vật va đại dương. Carbon trong đất đóng vai trò là một bề chứa C tiềm năng, nó phụ thuộc vào sự cân băng giữa quang hợp của cây, sự hô hap của các sinh vật phân hủy và sự cố định của carbon trong đất [Lal, R.
Sự cô lập carbon trong đất có thé đóng góp quan trọng trong các phương pháp giảm thiểu và có khả năng bù đắp một phần đáng kể nguồn CO> khuếch tán vào khí quyền mà việc thu giữ trực tiếp từ khí thải là chưa khả thi [Lal, R. Đặc biệt, người ta ước tính rằng thông qua việc quản lý đúng cách, nền nông nghiệp thế giới 20 và các loại đất bạc màu có thé tích tụ thêm 0,4-1,2 GtC/nam, tương đương với 5— 15% lượng phát thải nhiên liệu hóa thạch toàn cầu. Lưu giữ carbon trong đất không chi là một lựa chon quan trong dé giảm thiểu một phan khí thải do con người gây ra mà còn cung cấp một hệ sinh thái bền vững như gia tăng độ phì nhiêu của đất, chất lượng nước, khả năng chống xói mòn và giảm thiểu biến đồi khí hậu [Lal, R. Vai trò của carbon hữu cơ trong đất: Tuy chất hữu cơ chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ (khoảng 1-6% trọng lượng trong đất) nhưng chất hữu cơ đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với tất cả các quá trình xảy ra trong đất và liên quan chặt chẽ đến các tính chất lý, hóa học, sinh học của đất Đối với tính chất vat lý của đất: chất hữu cơ và min góp phan tạo kết cau cho đất, các keo mùn gắn kết các hạt đất với nhau tạo thành những hạt kết tốt, làm tăng độ xóp, điều hòa chế độ nước (tính thấm và giữ nước tốt hơn) và nhiệt độ trong dat, hạn chế rửa trôi và xói mòn đất.
Đối với tính chất hóa học của đất: chất hữu cơ làm tăng khả năng hấp thụ và trao đổi ion, dam bảo cho các phan ứng hóa học xảy ra bình thường, tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng cho đất, tăng cường độ sự phóng thích chất dinh dưỡng từ các thành phần khoáng trong đất bị hòa tan bởi các acid hữu cơ. Chất hữu cơ và mùn tham gia phản ứng hóa học của đất, cải thiện điều kiện oxy hóa, gắn liền với sự di động và kết tủa của các nguyên tổ vô cơ trong đất. Nhờ có nhóm các định chức các hợp chất mùn nói riêng, chất hữu cơ nói chung làm tăng khả năng hấp thụ của đất, giữ được các chất dinh dưỡng, đồng thời làm tăng tính đệm của đất [Trần Văn Chính, 2006]. Đối với các sinh vật sống trong dat: chất hữu cơ vừa là nguồn thức ăn, vừa là môi trường sông cho các sinh vật đất, kích thích sự sinh trưởng của các sinh vật hữu ích và trùn đất, tăng đa dạng sinh học đất.
Đối với cây trồng: Chất hữu cơ là kho dự trữ và nguồn cung cấp thức ăn thường xuyên và lâu dài cho cây trồng. Các hợp chất mùn kết hợp với sét tạo thành phức hệ keo sét- mùn là phức hệ điều tiết dinh dưỡng quan trọng nhất cho cây. Các axit mùn 21 còn có tác dụng kích thích sự phát triển cho hệ rễ và toàn cây, tăng sức chống chịu cho cây với điều kiện sống bắt lợi và sâu bệnh. Hon thé nữa, lượng carbon hữu cơ trong đất đóng một vai trò quan trọng đối với quá trình cân băng carbon trong chu trình carbon toàn cầu.
Gần đây, đất và SOC đã nhận được sự chú ý về vai trò của chúng trong việc giảm thiểu tác động của việc tăng cao CO2 trong khí quyền va sự nóng lên toàn cau liên quan. Lal (2004) ước tính rằng với việc sử dụng và quản lý đất thích hợp có khả năng cô lập ~ 0,9 Pg C mỗi năm. Con số này gần bằng 13% lượng COz-C do con người tạo ra hàng năm. Tổng hợp các nghiên cứu về dự trữ carbon đất trên thế giới Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới hướng tới sự giảm phát thải CO› khí quyền bằng cách lưu trữ nó đưới dạng các chất bền hơn trong môi trường đã và đang được tiến hành.
Thành phần đồng vị của oxy và carbon trong các chất khác nhau đặc biệt là khí CO2 cung cấp một công cụ sắc bén tiềm năng đối với việc định lượng sự đóng góp của các thành phần khác nhau vào sự thay đổi của hệ sinh thái.