Trung Quốc tạo đột phá vi sinh biến cát sa mạc thành đất màu mỡ trong chưa đầy một năm

Từ hàng thập kỷ xuống còn vài tháng: Tiến độ mới trong phục hồi sa mạc

Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một phương pháp biến cát sa mạc dịch chuyển thành đất ổn định, màu mỡ trong vòng 10 đến 16 tháng bằng vi sinh vật nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Trước đây, quá trình này cần đến vài thập kỷ. Đột phá được Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) ghi nhận gần sa mạc Taklamakan ở Tân Cương, sử dụng vi khuẩn lam để tạo lớp vỏ sinh học của đất, gắn kết các hạt cát, ngăn xói mòn do gió và bồi đắp chất hữu cơ. Kỹ thuật này giúp đẩy nhanh đáng kể các quá trình phục hồi sa mạc tự nhiên. Hồ sơ lịch sử theo dõi sự phát triển của lớp vỏ đất trong 59 năm phục hồi sa mạc cho thấy việc bổ sung vi khuẩn lam nuôi cấy trong phòng thí nghiệm rút ngắn thời gian từ hàng thập kỷ xuống chỉ còn vài tháng. Việc ổn định đất nhanh chóng tạo cho các nhóm phục hồi một khoảng thời gian quý báu để trồng cây trước khi gió dữ và nhiệt độ khắc nghiệt phá hủy cây non. Các hàng rào ô bàn cờ bằng rơm được dựng trên khắp vùng tây bắc Trung Quốc làm nền tảng cho quá trình này; những ô đất được xử lý hình thành màng sẫm màu vẫn tồn tại sau các trận bão bụi theo mùa và những đợt nhiệt độ cực đoan. Phương pháp sinh học này có thể khắc phục những hạn chế của các cách trồng rừng truyền thống, vốn cần tưới tiêu quy mô lớn và mất hàng chục năm mới phát triển đầy đủ. Dưới kính hiển vi, vi khuẩn lam tạo thành mạng lưới sợi vi khuẩn bao quanh các hạt cát, tiết ra những loại đường dính rồi cứng lại thành một lớp kết dính. Theo các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, chất kết dính sống này làm giảm hơn 90% lượng đất bị gió cuốn đi, tạo bề mặt ổn định để cây con bén rễ. Phương pháp đã được thử nghiệm trong điều kiện khắc nghiệt ở Taklamakan, nơi mùa hè nắng nóng gay gắt còn mùa đông băng giá, cho thấy khả năng chống chịu những biến động cực đoan theo mùa.

Vi khuẩn cổ xưa tạo đất từ ánh sáng mặt trời và không khí như thế nào

Vi khuẩn lam, có thể đã xuất hiện cách đây khoảng 3,5 tỷ năm, hoạt động như những kỹ sư hệ sinh thái siêu nhỏ. Loài vi khuẩn sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời này thực hiện quang hợp, hấp thụ carbon dioxide trong không khí và giải phóng các hợp chất hữu cơ đơn giản. Trong môi trường sa mạc nghèo dinh dưỡng, một số chủng còn cố định nitơ, chuyển khí nitơ trong khí quyển thành dưỡng chất cây trồng có thể hấp thụ, về cơ bản tạo phân bón từ không khí. Vi khuẩn cư trú tại các hàng rào ô bàn cờ bằng rơm trải trên cát, hình thành những lớp sống mỏng có thể chịu được bão bụi theo mùa và nhiệt độ cực đoan. Khi đã phát triển ổn định, chúng khởi động quá trình biến bề mặt khoáng chất cằn cỗi thành những hệ sinh thái đất đang hình thành, có khả năng nuôi dưỡng các loài thực vật bậc cao.

Nền tảng kết dính của lớp đất mới

Khi quan sát dưới kính hiển vi, lớp vỏ sinh học của đất cho thấy một mạng lưới phức tạp gồm các sợi vi khuẩn bao quanh từng hạt cát. Tế bào tiết ra những loại đường dính rồi cứng lại thành một lớp mỏng, kết dính, về cơ bản là gắn các hạt cát với nhau. Theo nghiên cứu đăng trên tạp chí Soil Biology and Biochemistry, lớp vỏ này làm giảm hơn 90% lượng đất bị gió cuốn đi trong các thử nghiệm phòng thí nghiệm. Trong năm đầu tiên, bề mặt được xử lý bắt đầu giữ lại dưỡng chất ở lớp đất trên cùng, dày khoảng 2,5 cm, thay vì để chúng bị gió cuốn đi. Xác vi sinh vật và lượng đường rò rỉ hòa trộn với bụi khoáng trôi dạt, tạo thành chất hữu cơ giữ nitơ và phốt pho, đặt những viên gạch đầu tiên cho lớp đất màu mỡ trong môi trường trước đây không có các nguồn tài nguyên như vậy.

Diễn thế sinh thái: Từ vi sinh vật đến rêu

Khi lớp vỏ đất phát triển, quần xã tiến hóa từ chủ yếu là vi sinh vật sang lớp phủ hỗn hợp gồm địa y và những mảng rêu nhỏ. Nghiên cứu kéo dài 53 năm về phục hồi tại sa mạc Tengger cho thấy địa y giúp bề mặt thêm bền chắc, còn rêu tạo độ cao và bóng râm, che chở cho vi sinh vật mới và giữ ẩm trong những hốc nhỏ. Tuy nhiên, quá trình diễn thế này cần được bảo vệ, bởi bước chân, xe cộ và chăn thả có thể làm nứt bề mặt mỏng manh, khiến quá trình phục hồi chậm lại nhiều năm. Sự chuyển biến từ những thảm vi khuẩn đơn giản sang quần xã địa y và rêu phức tạp đánh dấu bước chuyển từ ổn định ban đầu sang hình thành đất thực sự, dù thường cần hai đến ba năm để đạt khả năng chống chịu đầy đủ trước các tác động làm xáo trộn.

Các nghiên cứu về vi khuẩn đất tại những sa mạc được phục hồi cho thấy những quần thể vi sinh vật khác nhau đảm nhiệm các vai trò riêng. Các nhóm vi khuẩn phổ biến, có thể sử dụng nhiều nguồn tài nguyên, thúc đẩy quá trình khôi phục nhanh nhiều chức năng của hệ sinh thái thông qua chu trình dinh dưỡng phối hợp. Các nhóm hiếm, có phạm vi thích nghi sinh thái hẹp, góp phần duy trì ổn định lâu dài nhờ sự dự phòng chức năng. Nghiên cứu đăng trên Communications Biology cho thấy các vi sinh vật phổ biến tuân theo những mô hình hình thành quần xã ngẫu nhiên, trong khi các nhóm hiếm chịu sự chi phối của những quá trình có tính quy luật. Cùng nhau, chúng tạo nên các hệ sinh thái đất có khả năng chống chịu biến động môi trường.

Hấp thụ carbon trong cát: Bổ trợ Vạn Lý Trường Thành Xanh

Kỹ thuật phục hồi bằng vi sinh phù hợp với những nỗ lực rộng lớn hơn nhằm biến vùng rìa sa mạc thành bể hấp thụ carbon. Sa mạc Taklamakan, được mệnh danh là Biển Chết do khô hạn khắc nghiệt, gần đây đã được bao quanh hoàn toàn bởi vành đai xanh dài 3.046 km gồm cây và bụi chịu hạn, thuộc Chương trình Rừng Phòng hộ Tam Bắc. Hàng rào sinh học này hoạt động như một bể hấp thụ carbon ròng, hút carbon dioxide khỏi khí quyển đồng thời ổn định các cồn cát dịch chuyển. Dữ liệu viễn thám xác nhận tiềm năng hấp thụ carbon. Nhà vật lý khí quyển King Fai Li thuộc Đại học California nghiên cứu khu vực bằng công nghệ huỳnh quang cảm ứng bởi mặt trời (SIF), phát hiện ánh sáng cận hồng ngoại mờ phát ra trong quá trình quang hợp. Li nhấn mạnh rằng dù lượng carbon được hấp thụ khiêm tốn so với rừng mưa nhiệt đới, tính ổn định mới là điều quan trọng.

Đây không phải rừng mưa nhiệt đới. Đó là vùng cây bụi giống như vùng chaparral ở Nam California. Nhưng việc khu vực này có thể hấp thụ CO2 và làm điều đó một cách ổn định là điều tích cực mà chúng ta có thể đo lường và xác minh từ không gian.

Tuy nhiên, hoạt động trồng rừng truyền thống đối mặt với những thách thức đáng kể. Phân tích nguồn nước cho thấy việc trồng cây trên diện rộng có thể làm giảm dòng chảy sông và cạn kiệt các tầng chứa nước ngầm, do rừng cần nhiều nước làm tăng quá trình thoát hơi nước. Nghiên cứu của Đại học Nông nghiệp Trung Quốc cho thấy trồng cây làm tăng tổng lượng mưa ở một số khu vực, nhưng cũng hút thêm độ ẩm từ đất và nước ngầm, gây căng thẳng nguồn nước tại các lưu vực khô hạn. Mâu thuẫn này cho thấy tiềm năng của công nghệ tạo lớp vỏ vi sinh, vốn cần ít nước hơn rừng trưởng thành nhưng vẫn lưu trữ carbon thông qua việc tích tụ chất hữu cơ trong đất.

Mở rộng quy mô: Từ thử nghiệm ở Taklamakan đến chính sách quốc gia

Kỹ thuật sử dụng vi khuẩn lam cho thấy tiềm năng vượt ra ngoài Taklamakan. Tại sa mạc Mu Us, gieo hạt bằng máy bay kết hợp phục hồi vi sinh đã thúc đẩy quá trình hình thành đất từ cát lún, đồng thời cải thiện độ phì nhiêu. Phân tích giải trình tự thông lượng cao tại các khu vực được gieo hạt bằng máy bay trong 30 năm cho thấy đa dạng vi sinh vật trong đất tăng đáng kể; tổng lượng carbon, nitơ và nitrat cũng tăng song song với quần thể vi khuẩn và nấm. Các chủng vi khuẩn lam bản địa thường chịu nóng, mặn và hạn tốt hơn các giống nhập khẩu, vì vậy cần thu thập và nuôi cấy chúng tại các sa mạc lân cận thay vì dựa vào chế phẩm vi sinh thương mại dùng chung. Yêu cầu bản địa hóa này gây khó khăn cho việc mở rộng nhanh quy mô, nhưng giúp bảo đảm tính tương thích sinh thái và khả năng tồn tại lâu dài của các quần thể vi sinh được đưa vào.

Phục hồi bằng vi sinh có thể khắc phục những hạn chế nào?

Dù kết quả đầy triển vọng, phương pháp phục hồi bằng vi sinh vẫn gặp những hạn chế đáng kể. Sa mạc hóa bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân, trong đó có chăn thả quá mức, sử dụng nước thiếu hợp lý và biến đổi khí hậu, vì vậy riêng các lớp vỏ đất không thể xử lý những yếu tố căn nguyên này. Nếu không được bảo vệ lâu dài trước xe cộ và việc đi lại nhiều, bề mặt được phục hồi có thể vỡ vụn. Nước vẫn là yếu tố giới hạn lớn nhất. Trong những đợt hạn hán kéo dài, lớp vỏ sống bước vào trạng thái ngủ, nên kết quả phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu và thời điểm triển khai hoạt động phục hồi. Phương pháp đạt hiệu quả tốt nhất khi là một phần của cách tiếp cận tổng hợp, kết hợp rào chắn vật lý, bổ sung vi sinh vật và trồng cây có chọn lọc. Việc theo dõi các hệ sinh thái được phục hồi này đòi hỏi những phương pháp chuyên sâu. Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật giải trình tự thông lượng cao để theo dõi quá trình diễn thế của vi sinh vật và đánh giá mức độ an toàn sinh thái. Tại vùng đất cát Hulun Buir, nghiên cứu cho thấy quần xã vi khuẩn phản ứng mạnh hơn quần xã nấm trước những thay đổi môi trường; độ pH, độ ẩm đất và các yếu tố thảm thực vật chi phối cấu trúc quần xã. Những chỉ số này giúp các nhà quản lý xác định thời điểm đất được phục hồi đạt ổn định về chức năng.

Bài học toàn cầu về phục hồi đất khô hạn

Kinh nghiệm từ các sa mạc Trung Quốc mang lại bài học cho những vùng khô hạn khác, từ Sahel ở châu Phi đến Trung Đông. Sáng kiến Vạn Lý Trường Thành Xanh châu Phi, khởi động năm 2007, hiện áp dụng các phương thức phục hồi theo mô hình khảm thay vì tạo vành đai cây liên tục, kết hợp tái sinh tự nhiên có hỗ trợ và nông lâm kết hợp. Tại Niger và Burkina Faso, nông dân đã khôi phục đất bằng cách hỗ trợ tái sinh tự nhiên, giữ nước mưa trong các hố nông và bảo vệ cây non mà không cần tưới tiêu quy mô lớn. Những phương pháp này đã phục hồi hàng triệu mẫu đất, đồng thời tạo sinh kế bền vững từ các sản phẩm nông lâm kết hợp như thức ăn gia súc và mật ong. Việc kết hợp lớp vỏ sinh học của đất có thể đẩy nhanh quá trình ổn định các cồn cát dịch chuyển trong những khu vực này, tạo nền tảng để các phương pháp tái sinh tự nhiên phát huy tác dụng sớm hơn.

Công nghệ này cho thấy ngay cả những vùng đất suy thoái nghiêm trọng cũng có thể phục hồi chức năng nhờ các biện pháp can thiệp có mục tiêu. Các nhà khoa học cho rằng kết hợp bổ sung vi khuẩn lam với kỹ thuật thu giữ nước tại chỗ có thể khắc phục hạn chế chính của hoạt động phục hồi vùng khô hạn: giai đoạn cây mới bén rễ, khi cây non dễ bị tổn thương nhất trước gió và hạn hán. Các chương trình hợp tác quốc tế đang nghiên cứu cách điều chỉnh phương pháp của Trung Quốc cho phù hợp với đất đai châu Phi; những thử nghiệm ban đầu tập trung xác định các chủng vi khuẩn lam thích nghi tại địa phương, có thể chịu được điều kiện nóng và mặn đặc thù của vùng Sahel. Khi biến đổi khí hậu làm gia tăng áp lực sa mạc hóa trên toàn cầu, những phương pháp đẩy nhanh quá trình hình thành đất trong khi giảm mức sử dụng nước có thể trở nên thiết yếu để duy trì năng suất nông nghiệp và ngăn các vùng bão cát mở rộng giữa các châu lục.

Điểm chính

• Các nhà khoa học Trung Quốc đã rút ngắn quá trình hình thành đất sa mạc từ hàng thập kỷ xuống còn 10 đến 16 tháng bằng vi khuẩn lam nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, giúp gắn kết các hạt cát thành lớp vỏ sinh học ổn định.
• Kỹ thuật này giảm hơn 90% xói mòn do gió và tạo lớp đất mặt giàu dinh dưỡng nhờ cố định nitơ và tích tụ chất hữu cơ.
• Nghiên cứu tại nhiều sa mạc cho thấy các quần xã vi sinh thúc đẩy nhiều chức năng của hệ sinh thái; các nhóm phổ biến đảm nhiệm chu trình dinh dưỡng, còn các nhóm hiếm góp phần duy trì ổn định lâu dài.
• Trồng rừng truyền thống ở vùng khô hạn gặp thách thức do tiêu thụ nước, khiến phục hồi bằng vi sinh có thể trở thành giải pháp bổ trợ bền vững hơn cho việc trồng cây.
• Phương pháp cần được bảo vệ khỏi các tác động vật lý và triển khai đúng thời điểm có đủ mưa; hiệu quả nhất khi là một phần trong chiến lược tổng hợp chống sa mạc hóa.