Một nhóm nhà khoa học Anh đang phát triển công nghệ có thể tạo ra bản đồ 3D của đất chỉ bằng vài cú gõ lên một tấm kim loại và một chiếc điện thoại thông minh.
Công nghệ mang tên “soilsmology” (địa chấn học đất) được kỳ vọng sẽ giúp nông dân biết chính xác nơi cần tưới nước hoặc bón phân, cho phép các chính phủ theo dõi lượng carbon lưu trữ trong đất và hỗ trợ dự báo nguy cơ mất an ninh lương thực. Nếu thành công, đây có thể là lần đầu tiên con người có khả năng khảo sát đất ở quy mô toàn cầu với chi phí thấp.
Dự án do nhóm nghiên cứu thuộc chương trình Earth Rover Program triển khai tại Anh, Kenya và Colombia. Mục tiêu của họ là xây dựng một hệ thống “dự báo đất toàn cầu” (global soilcast) tương tự như cách thế giới đang theo dõi thời tiết ngày nay.
“Siêu âm” cho mặt đất
Earth Rover là sự hợp tác giữa các nhà khoa học đất và các nhà địa vật lý vốn từng phát triển công nghệ tìm kiếm dầu khí dưới lòng đất.
Hiện nay, hệ thống tạo tín hiệu địa chấn bằng cách dùng búa gõ lên một tấm kim loại đặt trên mặt đất. Các cảm biến sẽ ghi nhận những rung động phản hồi từ các lớp đất bên dưới để xác định độ sâu, mật độ, độ ẩm và mức độ màu mỡ của đất.
Giáo sư Simon Jeffery thuộc Đại học Harper Adams ví công nghệ này giống như siêu âm trong y học. Mỗi lần đo chỉ mất khoảng 10 giây.
Mục tiêu tiếp theo còn tham vọng hơn. Nhóm nghiên cứu muốn biến điện thoại thông minh thành thiết bị khảo sát địa chấn. Người dùng chỉ cần đặt điện thoại xuống đất rồi đi vòng quanh khu vực cần đo. Các bước chân tạo ra rung động, còn cảm biến gia tốc trong điện thoại sẽ thu nhận và xử lý dữ liệu.
Theo Jeffery, một nông dân trong tương lai có thể lập bản đồ đất cho cả cánh đồng chỉ trong khoảng 20 phút, thay vì phải mất nhiều ngày đào hố khảo sát như hiện nay.
Chi phí cũng thấp hơn đáng kể. Một cảm biến địa chấn chuyên dụng hiện có giá khoảng 700 bảng Anh, trong khi hầu hết điện thoại thông minh đều đã được trang bị cảm biến gia tốc cần thiết.
Điểm mù lớn nhất của nông nghiệp hiện đại
Đất là nền tảng của gần như toàn bộ hệ thống lương thực toàn cầu. Khoảng 99% lượng thực phẩm mà con người tiêu thụ có nguồn gốc từ cây trồng phát triển trên đất.
Đồng thời, đây cũng là một trong những hệ sinh thái ít được nghiên cứu nhất.
Không vệ tinh nào hiện nay có thể đo trực tiếp độ ẩm, hàm lượng carbon hay lượng dinh dưỡng trong đất. Phần lớn nông dân vẫn phải dựa vào kinh nghiệm từ các mùa vụ trước để đưa ra quyết định sản xuất.
Điều này đặc biệt đáng chú ý bởi đất còn là một “kho chứa carbon” khổng lồ. Tổng lượng carbon lưu trữ trong đất lớn gấp khoảng ba lần lượng carbon trong khí quyển.
Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn thiếu dữ liệu để xác định chính xác đất đang hấp thụ carbon hay đang giải phóng carbon vào khí quyển.
Một báo cáo gần đây của Liên minh châu Âu thậm chí gọi đất là “phần ẩn giấu của chu trình khí hậu”.
Cuộc khủng hoảng âm thầm dưới chân chúng ta
Trong khi hiểu biết về đất còn hạn chế, tình trạng suy thoái đất đang diễn ra trên quy mô toàn cầu.
Khoảng 40% diện tích đất trên thế giới hiện được xếp vào nhóm suy thoái; riêng tại châu Âu, tỷ lệ này lên tới 75%.
Theo nhà khoa học đất Rattan Lal thuộc Đại học Bang Ohio, mỗi phút lại có thêm khoảng 20 hecta đất bị suy thoái, tương đương khoảng 75 tỷ tấn đất bị mất đi mỗi năm.
Nguyên nhân bao gồm xói mòn do gió và nước, phá rừng, chăn thả quá mức, nén chặt đất bởi máy móc nông nghiệp hạng nặng, cũng như việc sử dụng quá nhiều phân bón hóa học.
Ngoài ra, đất còn chịu tác động từ kim loại nặng, mưa axit, tình trạng tích tụ muối do tưới tiêu và ô nhiễm vi nhựa.
Hệ quả không chỉ là năng suất nông nghiệp suy giảm. Một số nghiên cứu cho thấy kết hợp giữa suy thoái đất và biến đổi khí hậu có thể giải phóng tới 50 tỷ tấn carbon vào khí quyển trước năm 2050, làm trầm trọng thêm hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Trong khi đó, để tự nhiên hình thành thêm chỉ 2,5 cm đất mới có thể cần tới 1.000 năm.
Rattan Lal gọi đây là “một cuộc khủng hoảng y tế công cộng toàn cầu”, còn nhiều nhà khoa học khác xem suy thoái đất là một “cuộc khủng hoảng toàn cầu âm thầm”.
Từ nông trại tới cuộc chiến chống biến đổi khí hậu
Nhóm Earth Rover tin rằng việc lập bản đồ đất quy mô lớn có thể thay đổi cách con người quản lý tài nguyên này.
Thông qua các mô hình học máy, dữ liệu địa chấn có thể được mở rộng để xây dựng các mô hình dự báo phản ứng của đất trước biến đổi khí hậu, các hình thức canh tác khác nhau hoặc những biện pháp phục hồi hệ sinh thái.
Theo tuyên bố của chương trình, hiểu biết sâu hơn về đất có thể giúp tăng cường mối quan hệ giữa cây trồng và vi sinh vật, cải thiện vòng tuần hoàn dinh dưỡng, gia tăng lượng carbon lưu trữ và giảm phụ thuộc vào phân bón tổng hợp.
Nhóm nghiên cứu hiện đang thử nghiệm công nghệ tại các trang trại ở Anh, Kenya, Colombia và một số khu vực canh tác tái sinh khác.
Tại Kenya, các nhà khoa học kỳ vọng công nghệ này có thể giúp nông dân quy mô nhỏ cải thiện năng suất và khả năng chống chịu trước biến đổi khí hậu.
Tại Anh, nhóm nghiên cứu đang sử dụng địa chấn học để đo lượng carbon trong các vùng đất than bùn. Dù chỉ chiếm khoảng 6% diện tích đất toàn cầu, các vùng đất than bùn lại lưu trữ gần một phần ba tổng lượng carbon trong đất của thế giới.
Việc xác định chính xác lượng carbon này có ý nghĩa quan trọng đối với các thị trường carbon và các cam kết giảm phát thải quốc gia.
Một cơ sở dữ liệu toàn cầu về đất
Nhiều chuyên gia đánh giá địa chấn học đất là một bước tiến lớn trong khoa học đất.
Hiện đã tồn tại các công nghệ khác như viễn thám, radar xuyên đất hoặc đo độ dẫn điện của đất. Tuy nhiên, các phương pháp này thường đòi hỏi thiết bị chuyên dụng đắt tiền và khó triển khai trên diện rộng.
Theo nhóm Earth Rover, sự kết hợp giữa một chiếc búa, điện thoại thông minh và trí tuệ nhân tạo có thể thay đổi điều đó.
Nếu thành công, lần đầu tiên thế giới sẽ có khả năng xây dựng một cơ sở dữ liệu mở về đất ở quy mô toàn cầu.
Đó không chỉ là bước tiến của khoa học nông nghiệp. Trong bối cảnh an ninh lương thực và biến đổi khí hậu ngày càng trở thành những thách thức lớn của thế kỷ XXI, việc hiểu rõ lớp đất dưới chân có thể trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất để bảo vệ tương lai của nhân loại.
Một kỹ thuật viên điều khiển từ xa robot AI tự hành chạy bằng năng lượng mặt trời của công ty Aigen. Ảnh: Getty Images
Ông Ed Roe (trái), kiểm lâm của Hiệp hội Bảo vệ Chim Hoàng gia Anh tại Dorset, cùng bà Grace Herve, quản lý dự án Dorset Peat Partnership, kiểm tra đất than bùn. Ảnh: Getty Images
