Các nhà khoa học về động đất tiết lộ việc cày xới quá mức làm suy yếu đất ở trang trại thí nghiệm

Cày, hay xới đất, là một phương pháp nông nghiệp lâu đời nhằm chuẩn bị đất cho việc trồng trọt bằng cách lật lớp trên cùng để lộ ra đất tươi. Phương pháp này — nhằm cải thiện sự lưu thông nước và chất dinh dưỡng — vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay, nhưng những lo ngại về tình trạng suy thoái đất đã khiến một số người quay trở lại với các phương pháp tái tạo ít làm xáo trộn đất hơn.

Trong một nghiên cứu mới, một nhóm do các nhà nghiên cứu của Đại học Washington dẫn đầu đã kiểm tra tác động của việc xới đất đối với độ ẩm của đất và khả năng giữ nước bằng các phương pháp được thiết kế ban đầu để theo dõi động đất. Các nhà nghiên cứu đã đặt cáp quang dọc theo các cánh đồng tại một trang trại thử nghiệm ở Vương quốc Anh và ghi lại chuyển động mặt đất từ các mảnh đất nhận được lượng đất và độ nén khác nhau từ lốp máy kéo kéo thiết bị nông nghiệp.

Nghiên cứu xuất bản ngày 19 tháng 3 trên tạp chí Khoa học , cho thấy rằng việc xới đất và nén chặt phá vỡ mạng lưới mao dẫn phức tạp bên trong đất khiến đất có chất lượng giống như bọt biển tự nhiên.

“Nghiên cứu này đưa ra lời giải thích rõ ràng về lý do tại sao quá trình làm đất, một trong những hoạt động nông nghiệp lâu đời nhất của loài người, lại thay đổi cấu trúc của đất theo những cách ảnh hưởng đến cách đất hút nước,” đồng tác giả David Montgomery cho biết , giáo sư khoa học Trái đất và vũ trụ của UW.

Mối liên hệ giữa việc làm đất và suy thoái đất đã được thiết lập từ khá lâu, nhưng cơ sở lý luận chưa chắc chắn lắm.

“Nó phản trực giác,” Montgomery nói.

Việc xới đất được cho là tạo ra các lỗ để nước đến rễ cây, nhưng thay vào đó, nó lại phá vỡ các kênh nhỏ này trong đất, khiến mưa đọng lại trên bề mặt và tạo thành lớp vỏ bùn. Theo thời gian, điều này có thể làm tăng nguy cơ xói mòn và lũ lụt. Các nhà nghiên cứu đã quan sát hiện tượng này một cách chi tiết bằng phương pháp địa chấn.

Trong khoảng một thập kỷ qua, các nhà khoa học vật lý đã tìm cách khai thác mạng cáp quang để thực hiện các quan sát từ xa. Họ sử dụng một kỹ thuật gọi là cảm biến âm thanh phân tán, hay DAS, ghi lại chuyển động của mặt đất dựa trên độ căng của cáp. Vì công nghệ này rất nhạy nên nó còn có thể ghi lại tốc độ sóng âm truyền qua một chất, gọi là vận tốc địa chấn.

Khi đất ướt, vận tốc địa chấn thay đổi. Âm thanh di chuyển trong bùn chậm hơn so với đất khô.

“Chúng tôi muốn tìm hiểu xem liệu có thể sử dụng các công cụ địa chấn để hiểu cách đất — theo các chế độ xử lý khác nhau — sẽ phản ứng với sự biến đổi của môi trường hay không,” tác giả cấp cao Marine Denolle, phó giáo sư về khoa học trái đất và vũ trụ của UW, cho biết.

Một trang trại thử nghiệm gần Newport ở Vương quốc Anh, liên kết với Đại học Harper Adams, hóa ra lại là nơi thử nghiệm lý tưởng cho thí nghiệm của họ.

Trang trại được chia thành các dãy đã được canh tác ổn định trong hơn hai thập kỷ.

Có hàng không cày, hàng được xới sâu 10 cm và hàng được xới 25 cm. Việc nén chặt là sản phẩm phụ của quá trình cày xới do máy kéo gây ra. Các mức độ nén khác nhau đã được kiểm tra bằng cách điều chỉnh áp suất lốp máy kéo.

“Chúng tôi đã tận dụng một thử nghiệm tự nhiên đã được thực hiện nhưng chưa được đo lường,” Montgomery nói.

Các nhà nghiên cứu đã xếp các ô thử nghiệm của họ bằng cáp quang. Họ đã thu thập dữ liệu chuyển động mặt đất liên tục trong 40 giờ và kết hợp dữ liệu đó với dữ liệu thời tiết trong cùng khoảng thời gian, trong đó có lượng mưa từ nhẹ đến trung bình và nhiệt độ ôn hòa.

“Chúng tôi đã quan sát độ rung tự nhiên của mặt đất và nhận thấy rằng nó thực sự nhạy cảm với các yếu tố môi trường, bao gồm cả lượng mưa,” Qibin Shi cho biết , tác giả chính và cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về khoa học Trái đất và vũ trụ của UW, hiện làm việc tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.

Họ xác định xem mỗi chiến lược canh tác tác động như thế nào đến phản ứng của đất đối với lượng mưa bằng cách so sánh xu hướng vận tốc địa chấn giữa các địa điểm nghiên cứu. Shi đã phát triển nhiều mô hình khác nhau để xử lý dữ liệu và giúp các nhà nghiên cứu hiểu được tốc độ địa chấn xét về độ ẩm của đất.

Phương pháp này đơn giản, không tốn kém và cung cấp độ phân giải không gian và thời gian tốt hơn nhiều so với các công cụ giám sát trước đây.

Các nhà nghiên cứu tin rằng nó có thể giúp nông dân hiểu cách quản lý đất đai của họ, đưa ra cảnh báo lũ lụt theo thời gian thực, cải thiện các mô hình hệ thống trái đất bằng cách tinh chỉnh các ước tính về hàm lượng nước trong khí quyển và cung cấp bản đồ nguy cơ địa chấn tốt hơn với dữ liệu về rủi ro hóa lỏng.

Các đồng tác giả khác bao gồm Abigail Swann , giáo sư về khoa học khí quyển và khí hậu của UW, Nicoleta C. Cristea, trợ lý nghiên cứu giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường của UW, Ethan Williams từ Đại học California Santa Cruz, Nan You trước đây học tại Đại học Purdue, Simon Jeffery, Joe Collins, Ana Prada Barrio và Paula A. Misiewicz từ Đại học Harper Adams, Tarje Nissen-Meyer từ Đại học Exeter

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Gia đình Pan, Quỹ từ thiện Murdock, Quỹ hạt giống môi trường của Trường Đại học UW, Quỹ David và Lucile Packard và khoản trợ cấp năng lực nghiên cứu liên ngành của Hội đồng nghiên cứu môi trường quốc gia. 

Để biết thêm thông tin, hãy liên hệ với Denolle tại mdenolle@uw.edu.