Phân đạm tổng hợp nuôi sống bao nhiêu người trên thế giới?

Những lời tiên đoán về một cuộc khủng hoảng lương thực toàn cầu — rằng sản xuất lương thực của thế giới sẽ không theo kịp tốc độ tăng dân số — đã có từ lâu. Vào thế kỷ 18, mục sư người Anh Thomas Robert Malthus cho rằng mọi mức tăng tài nguyên bình quân đầu người rồi sẽ bị dân số vượt qua, cho đến khi nguồn cung lương thực trở thành rào cản chặn đà tăng dân số.

Những dự báo như vậy tiếp tục kéo dài sang thế kỷ 20 và 21: trong cuốn sách gây tranh cãi The Population Bomb (Quả bom dân số) năm 1968, Paul Ehrlich lập luận rằng dân số thế giới sẽ tiếp tục tăng cho đến khi xảy ra nạn đói hàng loạt.

Cả Malthus lẫn Ehrlich hẳn sẽ ngạc nhiên trước tình hình thế giới hiện nay. Ngày nay, chúng ta nuôi được hơn 8 tỷ người (và vẫn đang tăng), trong đó nhiều người tiêu thụ vượt xa nhu cầu.

Có nhiều đổi mới khoa học và công nghệ đã giúp năng suất cây trồng tăng nhanh, nhất là trong nửa sau thế kỷ 20. Không đổi mới nào có tác động lớn bằng khả năng sản xuất phân đạm tổng hợp.

Trên thực tế, người ta ước tính phân đạm hiện nuôi sống khoảng một nửa dân số thế giới. Nói cách khác, Fritz Haber và Carl Bosch — những người tiên phong của bước đột phá công nghệ này — được ước tính đã giúp duy trì sự sống của vài tỷ người, những người lẽ ra đã chết sớm hoặc không bao giờ được sinh ra.

Rất có thể cứ hai người đọc bài này thì sự tồn tại của một người bắt nguồn từ phát minh ấy của thế kỷ 20.

Thuật giả kim của khí quyển: làm phân bón từ không khí

Để hiểu tầm quan trọng của phân đạm, cần nói qua vai trò của nó trong sản xuất cây trồng toàn cầu. Ngoài nước và ánh sáng mặt trời, cây trồng cần ba chất dinh dưỡng chính để phát triển: đạm (N), lân (P) và kali (K). Đạm thường là chất dinh dưỡng giới hạn mức tăng sản lượng, dù khí quyển Trái Đất chứa hơn 78 % nitơ. Lý do là trong khí quyển, nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng N2 gần như trơ, chứ không ở dạng hoạt động mà cây có thể sử dụng.

Trong hàng nghìn năm, cây trồng phải dựa vào lượng nitơ hoạt động có hạn sẵn có tự nhiên trong đất và hệ sinh thái. (Cây họ đậu — đậu Hà Lan, đậu đỗ và các loại đậu khác — là ngoại lệ duy nhất: chúng có khả năng đặc biệt chuyển N2 trong khí quyển thành nitơ hoạt động để cây dùng.)

Tình trạng đó kéo dài đến năm 1908, khi nhà hoá học người Đức Fritz Haber phát triển một quy trình chuyển N2 trong khí quyển thành amoniac (NH3) — một dạng nitơ hoạt động mà cây sử dụng được.

Carl Bosch, một nhà hoá học và kỹ sư người Đức khác, đã đưa quy trình ở quy mô phòng thí nghiệm của Haber lên quy mô công nghiệp. Quy trình kết hợp mang tên "Haber–Bosch" đến nay vẫn là phương pháp công nghiệp chính để sản xuất phân đạm tổng hợp.

Phân đạm nuôi sống bao nhiêu người?

Nói đơn giản, cây trồng thường đáp ứng tích cực với lượng dinh dưỡng được cung cấp: năng suất cây trồng và lượng phân bón thường có quan hệ thuận rõ rệt. Phân bón, cùng các yếu tố năng suất khác như giống cải tiến, chọn tạo giống, thủy lợi và cơ giới hoá, đã tạo ra bước ngoặt lớn trong xu hướng năng suất cây trồng trên khắp thế giới ở thế kỷ 20. Cần lưu ý rằng mức tăng sản lượng nông nghiệp này — từ cả canh tác công nghiệp lẫn hữu cơ — chắc chắn đã gây ra những áp lực đáng kể lên sinh thái và tài nguyên. Tuy nhiên, như chúng tôi phân tích kỹ ở một bài khác, canh tác hữu cơ (tức nông nghiệp không dùng vật tư tổng hợp) đôi khi lại có tác động môi trường lớn hơn canh tác thông thường.

Vậy phân đạm tổng hợp thực sự nuôi sống bao nhiêu người? Dưới đây chúng tôi dựa vào một số ước tính đã công bố; các ước tính này thường hội tụ về một tỷ lệ dân số thế giới tương tự nhau. Kết quả do Erisman và cộng sự (2008) công bố trên tạp chí khoa học Nature Geoscience được thể hiện trong biểu đồ của bài gốc. Các kết quả này cũng khớp sát với những ước tính được trích dẫn rộng rãi của Vaclav Smil, sẽ bàn ở phần sau.

Trong biểu đồ, đường trên cùng là xu hướng dân số thế giới thực tế — tăng từ khoảng 1,65 tỷ người năm 1900 lên hơn 8 tỷ người năm 2023.

Đường dưới cùng là ước tính số người được nuôi sống nhờ phân đạm tổng hợp. Phân đạm chỉ có mặt sau khi quy trình Haber–Bosch được thương mại hoá từ năm 1910 trở đi. Từ đó, Erisman và cộng sự ước tính phân đạm đã hỗ trợ 42 % số ca sinh trên thế giới trong thế kỷ qua; tương đương 44 % dân số thế giới năm 2000 được nuôi bằng phân đạm, tăng lên 48 % năm 2008. Chúng tôi kéo dài ước tính này đến năm 2023 với giả định tiếp tục rằng 48 % dân số thế giới được nuôi bằng phân đạm. Giả định này nhìn chung phù hợp với ước tính độc lập của Rosa và Gabrielli (2023): khoảng một nửa dân số thế giới được nuôi bằng phân đạm tổng hợp vào năm 2019.

Đường ở giữa là quy mô dân số thế giới có thể được nuôi nếu không dùng phân đạm — đơn giản là dân số thực tế trừ đi số người phụ thuộc vào phân đạm để có lương thực. Nếu không có phát minh này, dân số thế giới có lẽ chỉ còn khoảng 4 tỷ người.

Ước tính số người được nuôi sống bằng cách nào?

Trước hết, cần lưu ý rằng các ước tính này khó đạt độ chắc chắn cao, vì nhiều lý do. Đáng chú ý là trong thế kỷ 20 và 21 còn nhiều yếu tố khác góp phần tăng năng suất nông nghiệp, như chọn tạo giống, thủy lợi, cơ giới hoá và kỹ thuật quản lý trang trại — tách riêng vai trò của phân đạm là việc khó. Thứ hai, hệ thống lương thực toàn cầu phức tạp và rất bất bình đẳng giữa các vùng: các nước thu nhập cao đã vượt qua giai đoạn chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng cơ bản, và nay dành một phần lớn sản lượng cho chăn nuôi lấy thịt (cách chuyển hoá nitơ kém hiệu quả hơn nhiều) và sản xuất năng lượng sinh học. Vì vậy, con số toàn cầu che khuất những chênh lệch này: tỷ lệ người phụ thuộc vào phân đạm để đáp ứng nhu cầu lương thực cơ bản ở các nước thu nhập cao có thể thấp hơn 48 %, còn ở các nước thu nhập thấp thì cao hơn.

Dù vậy, các ước tính chung thường hội tụ quanh mức 40–50 % dân số. Hãy xem ba ước tính được trích dẫn rộng rãi:

• Dựa trên nhiều thí nghiệm dài hạn — tổng cộng 362 vụ sản xuất — về năng suất cây trồng và cân bằng dinh dưỡng trên khắp thế giới, Stewart và cộng sự (2005) kết luận rằng 30–50 % mức tăng năng suất có thể quy cho phân bón tổng hợp (và ở vùng nhiệt đới thường còn cao hơn).
• Smil (2004) đi đến kết luận tương tự, cho rằng với độ tin cậy cao, sản lượng cây trồng toàn cầu sẽ chỉ bằng khoảng một nửa mức hiện nay nếu không có phân đạm. Vaclav Smil tính toán dựa trên cân bằng nitơ của cây trồng, vật nuôi và protein của con người (protein được cấu thành từ nitơ). Theo cân bằng này, 85 % lượng nitơ trong protein thực phẩm của con người đến từ đất trồng trọt; phần còn lại đến từ thủy sản hoặc vật nuôi trên đồng cỏ. Vì phân đạm cung cấp khoảng một nửa lượng dinh dưỡng trong sản lượng cây trồng thu hoạch, ông ước tính phân đạm cung cấp 40 % protein khẩu phần vào giữa thập niên 1990, và kết luận 40 % dân số thế giới năm 2000 phụ thuộc vào lương thực sản xuất nhờ phân bón tổng hợp.
• Erisman và cộng sự (2008) sau đó cập nhật các ước tính này đến năm 2008, với tỷ lệ tương tự (nhưng cao hơn một chút): 44 % năm 2000 và 48 % năm 2008.

Sự phức tạp của hệ thống lương thực toàn cầu khiến khó đưa ra một con số chắc chắn, nhưng nhiều khả năng khoảng một nửa dân số thế giới phụ thuộc vào phân đạm tổng hợp. Do đó, quy trình Haber–Bosch có lẽ đã giúp duy trì sự sống của khoảng 4 tỷ người hiện nay.

Nếu không có đạm tổng hợp, ta có đạt được điều tương tự?

Nếu Fritz Haber không tìm ra cách tạo nitơ tổng hợp, liệu chúng ta có tìm được giải pháp khác để nuôi một dân số lớn như ngày nay?

Trả lời câu hỏi này phần nào phải phỏng đoán ngược về quá khứ: nếu không có phân đạm tổng hợp, liệu ta có cung cấp được nitơ bằng cách khác. Nếu Fritz Haber hay Carl Bosch (hoặc bất kỳ nhà khoa học nào sau họ) không phát triển được phương pháp chuyển nitơ trơ trong khí quyển thành nitơ hoạt động mà cây dùng được, thì khả năng các giải pháp khác lấp được khoảng trống ấy là bao nhiêu?

Một giải pháp là tăng mạnh diện tích cây họ đậu cố định đạm. Như đã nói, cây họ đậu (đậu Hà Lan, đậu đỗ và các loại đậu khác) có khả năng đặc biệt chuyển ("cố định") nitơ khí quyển thành nitơ hoạt động trong đất, nên trồng chúng có thể dần làm tăng nguồn nitơ trong đất. Dù cách này có thể làm tăng phần nào tổng lượng nitơ hoạt động sẵn có, nó khó trở thành giải pháp mở rộng trên diện rộng vì nhiều lý do.

Thứ nhất, cây họ đậu thường cho năng suất thấp hơn ngũ cốc và các cây lương thực chính khác. Điều này đúng với năng suất ngày nay và cả trong lịch sử — cuối thế kỷ 19, năng suất cây họ đậu ở Tây Âu thường chưa bằng một nửa năng suất ngũ cốc chính. Nông dân thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 khó có động lực để trồng rộng rãi các cây này. Thứ hai, dù cây họ đậu có nhiều lợi ích về dinh dưỡng và môi trường, chúng chỉ chiếm một phần nhỏ trong khẩu phần ăn của phần lớn mọi người; hơn nữa, sở thích ăn các loại đậu thường giảm khi thu nhập tăng và lựa chọn thực phẩm phong phú hơn. Cả từ phía nông dân lẫn khẩu vị người ăn, rất khó có khả năng cây họ đậu cung cấp được nitơ ở quy mô gần bằng quy trình Haber–Bosch suốt thế kỷ 20.

Một nguồn nitơ tiềm năng khác là chất thải hữu cơ — nhiều hệ thống canh tác hữu cơ ngày nay cung cấp nitơ dưới dạng phân chuồng. Lẽ nào ta không thể dựa vào các nguồn nitơ không tổng hợp này? Thực tế là ta đã từng dựa vào chúng: trước Haber–Bosch và phân đạm tổng hợp, phần lớn các hệ thống nông nghiệp dựa vào việc đưa phân chuồng, chất thải và sinh khối khác trở lại đất để duy trì cân bằng nitơ. Vấn đề là nguồn này có hạn: tái chế dinh dưỡng, theo định nghĩa, nghĩa là nguồn cung có hạn. Cách đó giúp các xã hội duy trì một mức nitơ vừa phải nhưng không tạo thêm được. Như Smil (2004) phân tích kỹ, các xã hội trước đây thường chỉ nuôi được ít gia súc, nên nguồn phân chuồng và chất thải động vật rất hạn chế.

Nitơ tổng hợp không chỉ làm tăng năng suất cây trồng mà còn giúp đàn vật nuôi tăng lên. Năng suất tăng và cây trồng dư thừa cho phép nông dân dành ngày càng nhiều sản lượng cho chăn nuôi — nhất là vật nuôi ăn ngũ cốc. Nhìn chung, điều này làm tăng lượng nitơ hoạt động có thể tái chế trong hệ thống nông nghiệp: nhiều vật nuôi hơn thì cũng có nhiều phân chuồng hơn để tái chế. Nhưng cần nhận rõ rằng nguồn nitơ hữu cơ dồi dào như vậy chỉ có được nhờ lượng nitơ tổng hợp đã đưa vào trước đó. Nitơ tổng hợp đã bổ sung nitơ hoạt động vào đất, rồi lượng đó mới được tái chế dưới dạng chất thải hữu cơ và sinh khối. Nếu ngày nay nitơ hữu cơ có thể nuôi một phần lớn dân số thế giới, đó là vì nitơ tổng hợp đã tạo điều kiện bằng cách đưa thêm nitơ hoạt động vào hệ thống nông nghiệp. Không có phát minh của Fritz Haber, điều đó sẽ không bao giờ có thể xảy ra.

Tài liệu được bài gốc dẫn

• 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.
• Stewart, W. M., Dibb, D. W., Johnston, A. E., & Smyth, T. J. (2005). The contribution of commercial fertilizer nutrients to food production. Agronomy Journal, 97(1), 1–6.
• Rosa, L., & Gabrielli, P. (2023). Energy and food security implications of transitioning synthetic nitrogen fertilizers to net-zero emissions. Environmental Research Letters.