Có thể bón ít phân hơn mà không giảm sản lượng lương thực?

Một số nước cần bón thêm phân để tăng năng suất cây trồng. Nhưng một số nước khác có thể bón ít đi mà không phải hy sinh sản lượng lương thực.

Tóm tắt

Phân bón có thể làm tăng năng suất cây trồng. Điều này không chỉ mang lại lợi ích quan trọng cho thu nhập của nông dân và an ninh lương thực, mà còn có lợi cho môi trường nhờ giảm nhu cầu đất canh tác. Nhiều nước sẽ được lợi nếu dùng nhiều phân bón hơn.

Khi bón quá tay, phân bón cũng có thể trở thành chất gây ô nhiễm môi trường. Ta có thể cho rằng không làm gì được: muốn năng suất cao hơn thì cần nhiều đầu vào hơn, và vì thế tất yếu gây ô nhiễm nhiều hơn. Nhưng nghiên cứu cho thấy điều đó không hẳn đúng. Nông dân ở nhiều nước có thể giảm lượng phân bón mà không phải hy sinh sản lượng lương thực.

Một trong những nghiên cứu lớn và ấn tượng nhất thế giới cho thấy những biện pháp đơn giản có thể mang lại kết quả lớn. Trong một thử nghiệm kéo dài mười năm, các nhà nghiên cứu đã làm việc với 21 triệu nông hộ nhỏ trên khắp Trung Quốc để xem liệu có thể vừa tăng năng suất cây trồng, vừa giảm tác động môi trường của nông nghiệp hay không. Họ đã thành công.

Trong thập kỷ từ 2005 đến 2015, năng suất trung bình của ngô, lúa và lúa mì tăng khoảng 11 %. Cùng lúc đó, lượng phân đạm sử dụng giảm khoảng một phần sáu. Nhờ sản xuất được nhiều hơn mà cần ít phân bón hơn, thử nghiệm này mang lại lợi ích kinh tế 12,2 tỷ USD. Kết quả đó không đến từ đổi mới công nghệ lớn hay thay đổi chính sách: nó đến từ việc giáo dục và tập huấn cho nông dân về các biện pháp quản lý tốt.

Người ta thường cho rằng lượng phân bón — cùng với ô nhiễm nó gây ra — và năng suất cây trồng là một sự đánh đổi không tránh khỏi: muốn tăng năng suất thì phải bón ngày càng nhiều phân. Nghiên cứu quy mô lớn này cho thấy sự đánh đổi đó không phải lúc nào cũng gay gắt như ta tưởng.

Cần nói rõ: phân bón có vai trò sống còn với sản xuất lương thực toàn cầu. Hiếm có phát minh nào làm thay đổi thế giới nhiều như đạm tổng hợp.

Trong phần lớn lịch sử loài người, sản xuất lương thực bị giới hạn bởi lượng dinh dưỡng hoạt tính sẵn có cho cây trồng. Mọi thứ thay đổi nhờ Fritz Haber và Carl Bosch. Thay vì phụ thuộc vào lượng đạm khan hiếm có sẵn trong đất, ta có thể tự sản xuất đạm. Phát minh của họ (quy trình Haber–Bosch) vào đầu thế kỷ 20 đã giúp duy trì sự sống của hàng tỷ người. Các ước tính cho thấy cứ hai người đọc bài này thì có một người sống được đến hôm nay là nhờ họ.

Phân bón giúp ta đạt năng suất cây trồng cao hơn. Đây rõ ràng là điều có lợi cho con người: nông dân sản xuất và kiếm được nhiều hơn, thế giới có nhiều lương thực hơn. Điều ít rõ ràng hơn là nó còn mang lại lợi ích lớn cho môi trường. Năng suất cây trồng cao hơn nghĩa là ta cần ít đất hơn cho nông nghiệp. Nhờ đó ta có thể bảo vệ rừng và giữ gìn môi trường sống tự nhiên.

Chú thích của bài gốc: nếu năng suất cây trồng vẫn giữ ở mức năm 1961, ngày nay ta sẽ cần gần gấp ba diện tích đất canh tác (để đáp ứng sản lượng lương thực năm 2019). Nhờ năng suất tăng, thế giới đã "tiết kiệm" được 1,7 tỷ hecta đất — bằng diện tích Mỹ và Brazil cộng lại.

Nhưng đúng là bên cạnh lợi ích môi trường, cũng có những mặt trái. Không phải toàn bộ lượng đạm ta bón đều được cây trồng sử dụng. Phần còn lại bị rửa trôi khỏi đất và đi vào môi trường tự nhiên: nó "bón phân" cho sông hồ, qua đó làm mất cân bằng hệ sinh thái và gây suy giảm đa dạng sinh học.

Ta có thể cho rằng không làm gì được: muốn năng suất cao hơn thì cần nhiều đầu vào hơn, và vì thế tất yếu gây ô nhiễm nhiều hơn. Trong bài này, tác giả chỉ ra rằng nông dân ở nhiều nước có thể giảm lượng phân bón mà không phải hy sinh sản lượng lương thực.

Lượng phân bón giữa các nước chênh lệch rất lớn

Cây trồng, như mọi sinh vật, cần dinh dưỡng để sinh trưởng. Khi thiếu một số chất dinh dưỡng nhất định, cây không phát triển được hoặc phát triển chậm hơn nhiều. Chúng được gọi là "dinh dưỡng giới hạn". Chất dinh dưỡng nào giới hạn nhất thì khác nhau trên thế giới: có loại đất thiếu đạm, có loại thiếu lân hoặc kali.

Nếu đất thiếu dinh dưỡng tự nhiên, ta có thể bổ sung — bằng phân bón tổng hợp, hoặc bằng chất hữu cơ như phân chuồng. Lượng phân bón được dùng trên thế giới chênh lệch rất lớn. Bài gốc thể hiện điều này qua hai biểu đồ: một bản đồ lượng phân bón trung bình trên mỗi hecta đất trồng trọt, và một biểu đồ cột chia theo từng loại dinh dưỡng.

Giữa các nước có chênh lệch tới 100 lần. Ở nhiều nước nghèo nhất thế giới — nhất là ở châu Phi cận Sahara — nông dân chỉ bón vài kilôgam phân trên mỗi hecta. Để dễ hình dung, một hecta rộng khoảng 1,5 lần một sân bóng đá. Trái lại, ở các nước như Trung Quốc, Brazil, Anh hay Ai Cập, nông dân bón hàng trăm kilôgam mỗi năm. Họ bón trong vài ngày lượng phân bằng một số nông dân khác bón trong cả năm.

Điều này dẫn đến một thế giới chia đôi:

• Ở nhiều nước nghèo hơn, cần thêm phân bón. Năng suất cây trồng cải thiện chậm, và khoảng cách năng suất lớn có thể được thu hẹp bằng cách dùng nhiều đầu vào hơn và quản lý chúng tốt hơn. Điều này không chỉ tốt cho nông dân mà còn cho môi trường: vì những lý do nêu trên, thu hẹp khoảng cách năng suất là một trong những cách tốt nhất để ngăn mất môi trường sống ở vùng nhiệt đới.
• Nhưng, như phần sau cho thấy, nhiều nước đang bón thừa đạm. Họ có thể bón ít đi mà không ảnh hưởng xấu đến năng suất cây trồng.

Hiệu suất sử dụng đạm: cân bằng giữa năng suất và nhu cầu bón dinh dưỡng

Bón nhiều phân chưa hẳn là điều xấu nếu cây trồng dùng hết. Tiếc là phần lớn không được dùng.

Để đo điều này, ta có thể xem tỷ lệ giữa lượng đạm trong sản phẩm thu hoạch (cây trồng) so với lượng đạm đầu vào (phân bón hoặc phân chuồng); tỷ lệ này gọi là "hiệu suất sử dụng đạm" (nitrogen use efficiency, NUE). NUE 60 % nghĩa là lượng đạm trong cây trồng bằng 60 % lượng đạm đã bón vào. 40 % còn lại không được cây sử dụng.

NUE thấp là điều xấu: rất ít đạm bón vào được cây hấp thu. NUE 20 % nghĩa là 80 % lượng đạm đã bón trở thành chất ô nhiễm.

Ở phần sau ta sẽ thấy một số nước có NUE rất cao — trên 100 %. Có thể nghĩ đây là tin tốt. Thực ra thường là ngược lại. Điều đó nghĩa là họ đang bón thiếu đạm nhưng vẫn cố trồng ngày càng nhiều cây. Thay vì dùng dinh dưỡng sẵn có, cây phải lấy đạm từ đất — quá trình gọi là "khai thác đạm". Lâu dần, đất bị cạn kiệt dinh dưỡng, gây hại cho sản xuất cây trồng về lâu dài.

Trên toàn cầu, NUE vẫn ở mức thấp dai dẳng, 40 % đến 50 % kể từ năm 1980. Mức này thấp đến bất ngờ: chưa tới một nửa lượng đạm ta bón cho cây thực sự được cây hấp thu. Phần còn lại là lượng dư thừa rò rỉ ra môi trường tự nhiên.

Nhưng NUE giữa các nước chênh lệch rất lớn, như bài gốc thể hiện trên bản đồ. Một số nước có NUE thấp — dưới 40 %. Chẳng hạn Ấn Độ và Trung Quốc đều chỉ đạt hiệu suất một phần ba. Tuy vậy, một số nước làm tốt hơn nhiều: Pháp, Ireland, Anh và Mỹ đạt hiệu suất trên hai phần ba.

Hiệu suất sử dụng đạm thay đổi thế nào theo thời gian

Ta cũng có thể xem NUE thay đổi theo thời gian, qua đó thấy một số khác biệt thú vị giữa các nước.

Bài gốc thể hiện tỷ lệ giữa đạm đầu vào và đầu ra qua một biểu đồ phân tán có nối các điểm theo năm. Trục tung là đạm đầu ra: lượng đạm được thu hoạch trong cây trồng. Trục hoành là đạm đầu vào: bổ sung dưới dạng phân bón, phân chuồng hoặc cây hấp thu tự nhiên từ đất.

Đường màu xám biểu thị mức hiệu suất sử dụng đạm 100 %, tức toàn bộ lượng đạm bổ sung đều được cây hấp thu. Trên thực tế, đây có lẽ là tin xấu. Như đã nói ở trên, những nước này có lẽ đang bón thiếu đạm. Thay vì dùng đầu vào tổng hợp, cây phải lấy đạm từ đất, khiến đất cạn kiệt dần theo thời gian.

Lý tưởng nhất, ta muốn giá trị càng lên cao trên trục tung — năng suất cây trồng lớn hơn — nhưng không dịch dần sang phải (điều cho thấy cần ngày càng nhiều đầu vào mới đạt được năng suất đó). Nếu một nước ngày càng xa đường màu xám, nước đó đang ngày càng kém hiệu quả. Ta muốn các nước tiến về phía đường này.

Tác giả làm nổi bật một số xu hướng đáng chú ý. Các nước như Ấn Độ, Trung Quốc và Ai Cập đang ngày càng kém hiệu quả: năng suất tăng, nhưng họ cần lượng đạm ngày càng lớn để đạt được. Đó là đường cong lợi suất giảm dần; họ đang ngày càng xa đường xám ở giữa. Pháp là một ví dụ ngược lại đáng chú ý. Những năm gần đây, nước này bắt đầu lùi lại trên trục hoành về phía lượng đạm đầu vào thấp hơn, đồng thời năng suất vẫn tăng chậm. Pháp đang tăng năng suất trong khi giảm lượng phân bón sử dụng. NUE đang được cải thiện.

Ở góc dưới bên trái là Nigeria. Nhiều nước châu Phi cận Sahara tập trung sát gốc toạ độ: năng suất thấp và chỉ bón rất ít đạm cho cây trồng. Vì an ninh lương thực, họ cần nhanh chóng tiến lên trên trục tung.

Có thể giảm ô nhiễm đạm mà không làm giảm năng suất

Vì vậy, hiệu suất sử dụng đạm — chứ không chỉ lượng phân bón — có vẻ là thước đo bền vững tốt hơn để so sánh.

Ta có thể cho rằng mọi nước đều có thể đạt cùng một mức NUE cao. Nhưng có lẽ so sánh các nước trên thế giới theo cách này vẫn chưa công bằng. Khác biệt về khí hậu, thảm thực vật và loại đất khiến không phải nơi nào cũng đạt được cùng năng suất với cùng lượng đầu vào. Một số nước có điều kiện môi trường thuận lợi hơn các nước khác.

Làm sao hiểu rõ hơn những nước nào đang làm tốt trong sự đánh đổi giữa năng suất và phân bón?

Một cách tiếp cận thú vị là xem sự đứt gãy của năng suất và ô nhiễm đạm ngay tại đường biên giới quốc gia. Đây là cách David Wuepper và cộng sự đã làm trong một nghiên cứu gần đây công bố trên Nature Food. Bằng cách xem sự đứt gãy về năng suất, cân bằng đạm và lượng đầu vào ở hai bên biên giới, các nhà nghiên cứu tìm hiểu vai trò của chính sách nông nghiệp từng nước. Lý do là điều kiện môi trường, khí hậu và chất lượng đất ở ngay hai bên biên giới hẳn rất giống nhau; về mặt kỹ thuật, hai bên có thể đạt mức NUE và năng suất tương tự. Vì vậy, nếu năng suất hoặc ô nhiễm giữa một nước và nước láng giềng chênh lệch lớn, ta có thể cho rằng có những yếu tố riêng của từng nước đang đóng vai trò quan trọng. Cách làm này mô phỏng một "thí nghiệm tự nhiên", trong đó điều kiện môi trường được giữ cố định và quyết định chính sách là biến số thay đổi.

Biên giới giữa Kazakhstan và Trung Quốc, giữa Thổ Nhĩ Kỳ và Syria là những ví dụ rõ; bài gốc minh hoạ bằng ảnh chụp từ trên cao về sự đứt gãy thảm thực vật tại các đường biên giới này. Điều kiện trồng trọt ở hai bên hẳn tương tự nhau. Nhưng phía Trung Quốc và Thổ Nhĩ Kỳ có thảm thực vật dày hơn nhiều so với nước láng giềng, nhờ lượng dinh dưỡng bón vào và cách họ quản lý nông nghiệp.

Dùng ảnh vệ tinh và các bộ dữ liệu không gian địa lý, các nhà nghiên cứu đo bốn chỉ số chính ở độ phân giải cao trên hàng trăm nghìn điểm biên giới giữa các nước: cân bằng đạm trên đất trồng trọt, ô nhiễm đạm, khoảng cách năng suất (mức năng suất có thể tăng thêm nếu quản lý dinh dưỡng tốt hơn) và tiềm năng thảm thực vật tự nhiên. Họ thấy có khác biệt giữa hai bên biên giới ở ba chỉ số đầu, nhưng không có ở tiềm năng thảm thực vật tự nhiên. Điều này quan trọng vì nó cho thấy giả định rằng điều kiện môi trường ở hai bên biên giới là tương tự nhau là hợp lý. (Trong số ít trường hợp tiềm năng thảm thực vật tự nhiên có khác nhau giữa hai bên biên giới, kết quả đã được hiệu chỉnh.)

Trên bộ dữ liệu toàn cầu lớn này, các nhà nghiên cứu thấy sự đứt gãy về ô nhiễm đạm qua biên giới lớn hơn nhiều so với sự đứt gãy về khoảng cách năng suất. Kết quả của họ cho thấy trên toàn cầu có tiềm năng rất lớn để giảm ô nhiễm đạm mà không ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

Họ kết luận rằng ô nhiễm đạm có thể giảm khoảng 35 % nếu các nước gây ô nhiễm đạt hiệu quả ngang với nước láng giềng. Điều này gần như không ảnh hưởng đến năng suất cây trồng — khoảng cách năng suất chỉ tăng thêm 1 %.

Kết quả của họ cũng giúp ta biết những nước nào đang dùng đạm kém hiệu quả. Bài gốc thể hiện qua một bản đồ so sánh mức ô nhiễm đạm của các nước với mức năng suất họ đạt được, tương đối so với nước láng giềng. Giá trị dương — tô màu cam và đỏ — nghĩa là nước đó gây ô nhiễm nhiều hơn mức cần thiết cho năng suất đạt được. Giá trị âm — tô màu xanh lam — nghĩa là nước đó gây ít ô nhiễm hơn.

Có vài điểm quan trọng cần lưu ý. Mọi giá trị này đều được đo tương đối so với các nước láng giềng. Một nước có thể đạt điểm tốt vì nước láng giềng có năng suất rất thấp: Hàn Quốc là ví dụ. Hoặc một nước đạt điểm tốt vì nước láng giềng dùng đạm kém hiệu quả: Mông Cổ là ví dụ.

Trung Quốc có điểm cao nhất, 170 %: nước này gây ô nhiễm đạm nhiều hơn 170 % so với mức cần thiết để đạt năng suất cây trồng hiện có. Brazil, Mexico, Colombia và Thái Lan cũng gây nhiều ô nhiễm. Đây là những nước bón thừa đạm nhiều nhất: họ có lẽ có thể giảm đáng kể lượng phân bón mà không ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

Ta thường cho rằng ô nhiễm tăng là cái giá không tránh khỏi khi cố thu hẹp khoảng cách năng suất. Nhưng sự đánh đổi đó không phải lúc nào cũng tồn tại.

Làm sao dùng đạm hiệu quả hơn?

Có thể nhận thấy phần lớn các nước gây ô nhiễm lớn nhất là nước thu nhập trung bình. Trong những năm 1960 và 1970, nhiều nước thu nhập trung bình ngày nay đã khởi động "Cách mạng Xanh" và đạt mức tăng lớn về sản lượng lương thực. Chính phủ trợ giá cho nông dân dùng phân bón và các đầu vào khác. Điều này khiến phân bón rẻ và làm giảm động lực để nông dân dùng phân hiệu quả. Phân bón rẻ là một trong những lý do khiến các nước này ngày nay bón thừa đạm rất nhiều.

Vì vậy, một cách để chính phủ giảm ô nhiễm đạm là điều chỉnh tỷ lệ giữa giá phân bón và giá trị thu về từ nông sản. Họ có thể điều chỉnh trợ giá để việc bón thừa phân trở nên tốn kém với nông dân, và thay vào đó phân bổ lại nguồn lực tài chính này cho các biện pháp có tác động tích cực đến môi trường.

Một lựa chọn khác là đảo ngược động lực tài chính: thay vì trợ giá phân bón, có thể đánh thuế phân bón.

Ta có thể muốn làm phân bón đắt hơn ở những nước dùng thừa. Nhưng với những nước có khoảng cách năng suất lớn, ta lại muốn điều ngược lại. Như đã thấy, nhiều nước châu Phi cận Sahara gần như không dùng phân bón, và hệ quả là năng suất rất thấp. Trợ giá phân bón và các đầu vào khác sẽ mang lại lợi ích rất lớn cho họ.

Một khó khăn khi bón phân cho cây là khó biết chỗ nào cần. Có phần ruộng thiếu đạm, có phần lại thừa. Thường thì cách dễ và nhanh nhất là bón khắp nơi, nhất là khi phân bón được trợ giá nhiều và rẻ. Nhưng với các công nghệ mới nổi, ta có thể làm tốt hơn. Nhờ thông tin từ máy bay không người lái hoặc ảnh vệ tinh, ta có thể áp dụng "canh tác chính xác", cho phép thấy chính xác nơi nào cần phân bón nhất. Công nghệ chọn tạo giống cây trồng cũng có thể mở ra những cơ hội mới: ta có thể cố cải thiện hiệu quả sử dụng đạm của chính mình, nhưng cũng có cơ hội cải thiện hiệu quả sử dụng đạm của cây trồng.

Đừng quên rằng một trong những giải pháp hứa hẹn nhất — và thường bị bỏ qua — lại là giải pháp đơn giản và lâu đời nhất. Cây họ đậu — như các loại đậu, đậu Hà Lan và đậu lăng — có "phép màu" riêng với đạm. Chúng có khả năng thu giữ đạm trong khí quyển và tự chuyển hoá thành đạm hoạt tính. Quá trình này gọi là "cố định đạm sinh học". Khác với phần lớn cây trồng khác vốn phải bón thêm đạm, cây họ đậu tự tạo ra đạm. Trồng nhiều cây họ đậu hơn — trồng riêng hoặc xen với cây khác — là một trong những cách dễ nhất để đưa đạm vào đất.

Cuối cùng, có rất nhiều điều có thể làm bằng cách tập huấn cho nông dân áp dụng các biện pháp quản lý bền vững. Nghiên cứu với 21 triệu nông dân ở Trung Quốc đã cho thấy rõ điều này. Thay đổi chính sách lớn và tiến bộ công nghệ thường cần thiết để tạo khác biệt lớn, nhưng không nên đánh giá thấp tác động mà giáo dục có thể mang lại.

Nhiều người coi năng suất cây trồng và ô nhiễm môi trường là sự đánh đổi không tránh khỏi. Không nhất thiết phải như vậy. Ta có thể giảm ô nhiễm rất nhiều mà không làm giảm năng suất cây trồng. Ít ô nhiễm hơn, nhiều lương thực hơn, nông dân thu lợi nhiều hơn và cần ít đất canh tác hơn — đây là bài toán mà nhiều bên cùng thắng, nếu ta triển khai được những giải pháp đúng.

Tài liệu được bài gốc dẫn

• Cui, Z., Zhang, H., Chen, X., Zhang, C., Ma, W., Huang, C., … & Dou, Z. (2018). Pursuing sustainable productivity with millions of smallholder farmers. Nature, 555(7696), 363–366.
• Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., & Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1(10), 636–639.
• Smil, V. (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production. MIT Press.
• Mueller, N. D., Gerber, J. S., Johnston, M., Ray, D. K., Ramankutty, N., & Foley, J. A. (2012). Closing yield gaps through nutrient and water management. Nature, 490(7419), 254–257.
• Lassaletta, L., Billen, G., Grizzetti, B., Anglade, J., & Garnier, J. (2014). 50 year trends in nitrogen use efficiency of world cropping systems: the relationship between yield and nitrogen input to cropland. Environmental Research Letters, 9(10), 105011.
• Wuepper, D., Le Clech, S., Zilberman, D., Mueller, N., & Finger, R. (2020). Countries influence the trade-off between crop yields and nitrogen pollution. Nature Food, 1(11), 713–719.
• Kurdi, S., Mahmoud, M., Abay, K. A., & Breisinger, C. (2020). Too much of a good thing? Evidence that fertilizer subsidies lead to overapplication in Egypt. MENA RP Working Paper 27. Washington, DC: International Food Policy Research Institute (IFPRI).
• Finger, R., Swinton, S. M., El Benni, N., & Walter, A. (2019). Precision farming at the nexus of agricultural production and the environment. Annual Review of Resource Economics, 11, 313–335.
• Walter, A., Finger, R., Huber, R., & Buchmann, N. (2017). Opinion: Smart farming is key to developing sustainable agriculture. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(24), 6148–6150.