Xói mòn đất là quá trình mất đi lớp đất bề mặt phù hợp để trồng cây, có thể do nhiều nguyên nhân như khí hậu khắc nghiệt, các hoạt động đô thị,... Cùng với các phương pháp khác, kỹ thuật hạt nhân đang được ứng dụng tại nhiều nơi trên thế giới để chống xói mòn đất, tăng thêm các lựa chọn trong công tác phòng chống xói mòn tại nhiều khu vực.
Xói mòn đất
Theo số liệu của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO), xói mòn đất có tác động rất lớn đến đời sống, kinh tế của con người trên thế giới. Để tạo ra chỉ 2-3 cm đất bề mặt có thể mất đến khoảng 1.000 năm. Tuy nhiên, cứ sau khoảng 5 giây, một lượng đất bề mặt tương đương một sân bóng đá trên Trái đất đã bị xói mòn. Tốc độ xói mòn trên đất canh tác hoặc đất chăn thả gia súc nhanh hơn 100-1.000 lần so với tốc độ xói mòn tự nhiên. Xói mòn đất có thể dẫn làm tổn thất tới 50% năng suất cây trồng. Chi phí kinh tế do suy thoái đất đối với Liên minh châu Âu ước tính lên tới hàng chục tỷ Euro mỗi năm. Hiện nay, 33% đất trên Trái đất đã bị thoái hóa và hơn 90% có thể bị thoái hóa vào năm 2050.
Việt Nam có 3/4 diện tích là đồi núi với độ dốc cao, lượng mưa lớn, vì vậy hiện tượng xói mòn đất thường xuyên xảy ra, gây thiệt hại cho sản xuất và đời sống. Ngoài ra, các hoạt động sản xuất của con người, vấn nạn phá rừng hoặc quản lý đất đai không phù hợp cũng gây ra hiện tượng xói mòn đất.
Để ngăn chặn, hạn chế, giảm thiểu và chống xói mòn đất, người ta đã đề ra nhiều giải pháp: (1) Cải tạo đất: thay đổi tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất để làm cho nó phù hợp với các công tác nuôi trồng; (2) Phủ mặt đất bằng các vật liệu phù hợp để giữ ẩm cho đất, tránh quá trình bốc hơi nước và bảo vệ đất khỏi sự xói mòn của mưa và gió; (3) Xây dựng hệ thống kênh tưới để cung cấp nước cho cây trồng, tăng độ ẩm cho đất và giảm thiểu sự xói mòn của nước; (4) Thực hiện đúng các kỹ thuật canh tác để giảm thiểu sự xói mòn; (5) Thực hiện các công tác chống xói mòn như xây dựng bờ kè, cống rãnh, hố chứa nước,… để giảm thiểu tác động của mưa và gió đối với đất. Gần đây, kỹ thuật hạt nhân cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu, ứng dụng trong nỗ lực chống xói mòn đất.
Chống xói mòn đất bằng kỹ thuật hạt nhân
Kỹ thuật đồng vị rơi lắng FRN
FRN (Fallout Radionuclide) là kỹ thuật dùng để đo tốc độ xói mòn đất và phân phối lại trầm tích. Kỹ thuật này sử dụng các đồng vị phóng xạ Caesium-137 (Cs-137, có chu kỳ bán rã khoảng 30 năm) vốn phân bố rộng rãi trong môi trường, là chất đánh dấu phù hợp để nghiên cứu xói mòn đất và chuyển động của trầm tích trong vài thập kỷ. Ngoài ra, còn có 2 nguyên tố phóng xạ phổ biến nữa là Pb-210 và Be-7 cũng được coi là các chất chỉ thị lý tưởng giúp nghiên cứu quá trình xói mòn đất và sự phân bố lại bề mặt đất. Sau khi phân tích các nguyên tố phóng xạ rơi lắng bằng phổ kế độ phân giải cao, các nhà khoa học có thể xác định được những thay đổi trong mô hình và tỷ lệ phân bố đất tại các khu vực lớn.
Nguyên lý kỹ thuật FRN dựa trên việc đo đạc sự tăng giảm của các đồng vị trong đất. Khi một vị trí nào đó đang bị xói mòn, thì lượng các đồng vị Be-7, Cs-137 và Pb-210 tại đó cũng giảm dần cùng với đất bị rửa trôi. Ngược lại, nếu vị trí đang được bồi đắp thêm thì lượng Be-7, Cs-137 và Pb-210 tại đó cũng tăng lên.
Bằng cách phân tích mức độ Cs-137 trong các mẫu đất được lấy ở các độ sâu khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể ước tính tốc độ xói mòn đất và phân phối lại trầm tích trong cảnh quan. Các đồng vị được đo bằng phép đo phổ Gamma và dùng để ước tính tỷ lệ xói mòn đất. Do có thời gian bán hủy khác nhau, nên các đồng vị Be-7, Cs-137 và Pb-210 có thể cung cấp thông tin về xói mòn, rửa trôi đất bề mặt trong các khoảng thời gian khác nhau: Be-7 cung cấp thông tin xói mòn trong vài tuần đến vài tháng; Cs-137 có thể cho biết lịch sử xói mòn trong khoảng 50 năm gần đây và Pb-210 cung cấp thông tin xói mòn trong khoảng 100 năm.
Nguyên lý áp dụng kỹ thuật đồng vị rơi lắng FRN (nguồn Vjst.vn)
Công nghệ FRN hiện đã trở thành một công cụ quan trọng để bảo tồn và quản lý đất, vì nó cung cấp thông tin có giá trị về tốc độ xói mòn đất và giúp xác định các khu vực có nguy cơ bị xói mòn. Thông tin này có thể dùng để phát triển các chiến lược bảo tồn đất hiệu quả hơn, cải thiện các hoạt động sử dụng đất để ngăn ngừa xói mòn thêm và duy trì năng suất của đất.
Sử dụng FRN để đánh giá xói mòn đất thuận tiện hơn, rẻ hơn và ít tốn công hơn so với các phương pháp thông thường, chẳng hạn như đo thể tích đất bị rửa trôi hoặc đo lượng phù sa ở quy mô lớn, trên các thửa đất có kích thước khác nhau.
Kỹ thuật đồng vị bền CSSI
Kỹ thuật FRN tuy phổ biến, nhưng không thể cho phép xác định được tất cả các khía cạnh trong đánh giá xói mòn đất. Do đó, khi xác định nguồn gốc, trầm tích và các điểm nóng xói mòn ở các khu vực lớn, các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật đồng vị bền CSSI, đo các đồng vị phóng xạ carbon-13 (C-13).
Kỹ thuật CSSI sử dụng mô hình số hóa để tính toán các thông số như hàm lượng carbon hữu cơ trong đất, sản lượng cây trồng và quản lý đất đai để ước tính khả năng lưu giữ carbon. Một trong những ứng dụng quan trọng của CSSI là đánh giá hiệu quả các giải pháp nông nghiệp tái tạo và quản lý đất đai; đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và các chính sách quản lý rừng, khả năng lưu giữ carbon trong đất và cây trồng.
Các nhà khoa học so sánh tỷ lệ đồng vị carbon ổn định (giữa C-13 và C-12) trong mẫu vật để xác định niên đại của mẫu. Việc ứng dụng CSSI để xác định nguồn gốc của đất, trầm tích và các điểm nóng xói mòn mới được chú ý đến trong vài năm trở lại đây và được IAEA đưa vào các chương trình hợp tác, phát triển.
Nguyên lý áp dụng kỹ thuật đồng vị bền CSSI (nguồn Vjst.vn)
Bằng cách sử dụng kỹ thuật CSSI, các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc của đất và trầm tích bị xói mòn trong các hồ chứa nước; xác định các khu vực dễ bị thoái hoá và từ đó đưa ra giải pháp bảo tồn khu vực ưu tiên một cách hiệu quả.
Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử quốc tế (IAEA) và Tổ chức Nông nghiệp và Lương thực của Liên hợp quốc (FAO), các kỹ thuật hạt nhân cho phép nhận biết được lượng đất phân bố lại trong quá trình xói mòn, theo dõi xói mòn, đánh giá và định lượng tỷ lệ xói mòn hay xác định được các khu vực bị ảnh hưởng nhiều nhất do xói mòn. Các kỹ thuật này đã dần trở nên phổ biến trên thế giới và được áp dụng nhiều ở các quốc gia nông nghiệp có địa hình dốc, đồi núi cao, đất cằn cỗi như các nước ở khu vực châu Phi (Uganda, Tunisi, Madagascar,…), Đông Âu và Châu Á.
Tại Việt Nam, theo các tác giả Trần Đức Toàn, Bùi Đắc Dũng, Nguyễn Duy Phương tại nghiên cứu “Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong nghiên cứu xói mòn đất” (2021), khi vận dụng kỹ thuật FRN để đánh giá tốc độ xói mòn của đất, các kỹ thuật hạt nhân đã giải quyết được yêu cầu với hiệu quả và tính kinh tế tốt hơn các phương pháp truyền thống. Kỹ thuật này cũng được Viện Nghiên cứu Hạt nhân sử dụng để khảo sát tốc độ xói mòn đất cho nhiều vùng của khu vực Tây Nguyên. Các báo cáo đánh giá đã chỉ ra rằng, khi không áp dụng biện pháp giảm thiểu xói mòn đất, tốc độ xói mòn có thể đạt tới 42 tấn/ha/năm ở độ dốc 25-350, làm mất khoảng 1.200 kg/ha/năm các chất hữu cơ và một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng. Khi áp dụng các biện pháp giảm thiểu xói mòn, kết quả khảo sát bằng kỹ thuật FRN cho thấy, tốc độ xói mòn đất có thể giảm từ 36-60%.
Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân vào công tác giảm thiểu xói mòn đất sẽ cung cấp các dữ liệu về đất, các hiểu biết về chất lượng đất, độ xói mòn đất, hỗ trợ các nhà khoa học trong việc nghiên cứu, phân tích lựa chọn phương án phù hợp để chống xói mòn đất, bảo vệ tốt hơn nguồn tài nguyên đất là hoạt động rất cần được đẩy mạnh.
Thư Nguyễn
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
[1] Đỗ Ngọc Điệp. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân giảm thiểu xói mòn đất. https://vjst.vn/vn/tin-tuc/7399/ung-dung-ky-thuat-hat-nhan-giam-thieu-xoi-mon-dat.aspx
[2] Trần Đức Toàn, Bùi Đắc Dũng, Nguyễn Duy Phương. Ứng dụng đồng vị phóng xạ trong nghiên cứu xói mòn đất https://tapchi.vaas.vn/sites/tapchi.vaas.vn/files/tapchi/2021-09/TC2_8.pdf
[3] FAO. Global Symposium on Soil Erosion. https://www.fao.org/about/meetings/soil-erosion-symposium/key-messages/en/
[4] Akihiko Ito, Tomohiro Hajima, David M Lawrence, Victor Brovkin, Christine Delire, Bertrand Guenet, Chris D Jones, Sergey Malyshev, Stefano Materia, Sonali P McDermid. Soil carbon sequestration simulated in CMIP6-LUMIP models: implications for climatic mitigation. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abc912/meta
[5] Carbon. https://www.fs.usda.gov/managing-land/sc/carbon