Bí quyết thu hoạch và bón phân giúp tăng lợi nhuận từ cây trồng năng lượng sinh học
Nghiên cứu của Đại học Illinois (Mỹ) cung cấp những hướng dẫn thực tiễn nhằm tăng lợi nhuận khi trồng các loài cỏ lâu năm như miscanthus và switchgrass — những cây chuyên dụng cho sản xuất nhiên liệu hàng không bền vững.
Cây trồng năng lượng sinh học – bioenergy plant – là các loại cây trồng chuyên dụng nhằm sản xuất năng lượng từ sinh khối, như đốt cháy tạo điện hoặc nhiệt, hoặc chiết xuất nhiên liệu sinh học.
Để đạt các mục tiêu đầy tham vọng của Bộ Năng lượng Mỹ về nhiên liệu hàng không bền vững (SAF), việc sản xuất các cây năng lượng chuyên canh thế hệ hai như switchgrass và miscanthus phải tăng mạnh. Trong nhiều năm qua, các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois đã tập trung vào hai loại cỏ này để lấp đầy kiến thức về việc canh tác và khai thác.
“Chúng tôi đã tiến rất xa trong việc hiểu các loại cây trồng chuyên canh cho nhiên liệu hàng không bền vững nhưng vẫn cần tối ưu các biện pháp quản lý nông học, như thu hoạch và quản lý dinh dưỡng để giảm chi phí sản xuất và khuyến khích nông dân trồng,” Giáo sư D.K. Lee, tác giả chính của hai nghiên cứu mới công bố, cho biết.
Trong khi các nghiên cứu trước đây có quy mô nhỏ và thường tập trung vào những năm đầu sau khi trồng, trong chu kỳ sinh trưởng ban đầu của cây, thì nghiên cứu của giáo sư Lee tập trung nhiều hơn vào các giải pháp để tối đa hóa năng suất sinh khối trong dài hạn.
Ở bài báo nghiên cứu thứ nhất đăng trên tạp chí Bioresource Technology, nhóm của Lee đi vào phân tích tính kinh tế và môi trường của hai phương pháp thu hoạch switchgrass. Đây là một loại cỏ phát triển với tốc độ cực nhanh, cho hàm lượng xơ cao và giàu xenluloza – một loại nguyên liệu dễ dàng chế tạo thành ethanol chỉ sau một vài công đoạn chưng cất và lên men.
“Hoạt động thu hoạch chiếm đến 60–80% tổng chi phí sản xuất cỏ switchgrass. Chúng tôi muốn hiểu vì sao chi phí thu hoạch lại cao như vậy, từng công đoạn đã đóng góp gì vào chi phí, năng lượng và phát thải khí nhà kính, và có thể giảm được chúng không”, Muhammad Umer Arshad, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và tác giả thứ nhất của bài báo, nói.
Arshad giải thích rằng switchgrass có thể được thu hoạch theo hai phương pháp: từng bước (mỗi công đoạn cắt, gom, đóng kiện, vận chuyển được thực hiện riêng rẽ, từng bước) hoặc tích hợp (sử dụng các thiết bị khác nhau để cắt cỏ và gom ngay trong một lượt). Về lý thuyết, phương pháp tích hợp có thể giảm công sức lao động, giảm năng lượng và chi phí. Nhưng kết quả phân tích dữ liệu từ 125 trang trại ở Virginia với quy mô và năng suất khác nhau cho thấy bức tranh lại phức tạp hơn.
Phương pháp thu hoạch tích hợp tỏ ra phù hợp hơn với các ruộng nhỏ (dưới 3 ha) và năng suất thấp (dưới 3,2 tấn/mẫu), giúp giảm phát thải khí nhà kính 9% và giảm tiêu thụ năng lượng 5%. Ngược lại, phương pháp thu hoạch từng bước lại tốt hơn cho các cánh đồng lớn với năng suất sinh khối cao, giảm chi phí thu hoạch xuống còn 37,70 USD/tấn và đạt được lượng phát thải khí nhà kính thấp nhất.
Các ước tính chi phí dựa trên giả định nông dân sử dụng máy móc của chính họ.
Theo Arshad, kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều chỉnh chiến lược thu hoạch cho phù hợp với các điều kiện cụ thể của từng địa điểm và cung cấp hướng dẫn dựa trên bằng chứng đầu tiên rằng các phương pháp thu hoạch có thể cải thiện cả hiệu quả kinh tế lẫn môi trường.
Trong bài báo nghiên cứu thứ hai đăng trên tạp chí Biomass & Bioenergy, nhóm nghiên cứu của Lee xem xét sự suy giảm năng suất sinh khối trên cỏ miscanthus theo năm tuổi, dựa trên khối lượng và mật độ thân.
Miscanthus là một loại cỏ lâu năm với chu kỳ tăng trưởng dự đoán được. Giai đoạn non kéo dài vài năm để tích lũy và đạt đỉnh năng suất sinh khối, sau đó giảm dần từ khoảng năm thứ 10 trở đi. Trước đây, người ta chưa rõ yếu tố nào thay đổi theo thời gian, và vai trò của phân bón trong quá trình này ra sao.
Nictor Namoi, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và là tác giả thứ nhất của bài báo, đã phân tích dữ liệu trồng cỏ miscanthus dài hạn với các mức và thời điểm bón đạm (nitơ) khác nhau. Anh tính toán sự thay đổi khối lượng và mật độ thân qua thời gian và theo các mức dinh dưỡng, rồi đánh giá thêm các yếu tố độ phì khác của đất có ảnh hưởng thế nào tới năng suất sinh khối ở các ruộng trồng đã già.
“Kết quả cho thấy cả khối lượng và mật độ thân đều tăng từ năm 1 đến năm 4, và bón đạm giúp tăng cả khối lượng và mật độ. Nhưng theo thời gian, khi người ta bắt đầu thu hoạch sinh khối và mang dưỡng chất nitơ ra khỏi ruộng, khối lượng thân sẽ bị ảnh hưởng đầu tiên. Vì vậy, khối lượng thân là một yếu tố rất nhạy với cách bón đạm.” Namoi nhận xét.
Anh cho biết thêm, mật độ thân sẽ vẫn tiếp tục tăng cho đến khi cụm cây đạt mức bão hòa, không còn không gian để mở rộng thêm. Lúc đó, năng suất sinh khối gần như chỉ phụ thuộc vào khối lượng thân.
Hơn nữa, sự suy giảm năng suất sinh khối theo thời gian của cỏ miscanthus không hoàn toàn do thiếu đạm. Mỗi lần thu hoạch, các chất dinh dưỡng trong sinh khối thực vật lại bị lấy đi khỏi hệ thống, khiến đất hao hụt các nguyên tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang hợp. Khi phân tích hàm lượng phốt pho và kali trong các ruộng miscanthus đã trưởng thành, Namoi phát hiện những ruộng này thiếu hụt đáng kể cả hai dưỡng chất.
“Kết quả của chúng tôi xác định rằng khối lượng thân là yếu tố quyết định năng suất sinh khối ở các ruộng miscanthus già, và cần bón cả đạm, phốt pho, kali để duy trì năng suất lâu dài,” anh kết luận.
Trang Linh dịch từ Đại học Illinois
