Đất sét nano: Công nghệ đột phá có thể biến sa mạc thành đồng ruộng trong 7 tiếng đồng hồ

Vào tháng 3 năm nay, khi các quốc gia trên thế giới bắt đầu phải đóng cửa vì đại dịch Covid-19, trên một vùng sa mạc của Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất (UAE), một kỳ tích bắt đầu được ươm mầm.

Đó là một sa mạc cằn cỗi, không giáp biển và ban ngày luôn ngập nắng bỏng rát. Thế nhưng chỉ trong vòng 40 ngày, cả cánh đồng cát bỗng biến thành một ruộng dưa hấu trổ quả chín mọng.

Đối với một quốc gia phải nhập khẩu 90% sản phẩm tươi sống như UAE, ruộng dưa hấu này là một cột mốc hết sức có ý nghĩa. Sa mạc Ả Rập khô cằn, khắc nghiệt bây giờ đã được biến thành một trang trại trái cây tươi tốt, nhờ vào những hạt đất sét nano.

Được gọi là "nanoclay", công nghệ phục hồi đất này có hẳn một câu chuyện dài hàng thập kỷ trước đó, bắt đầu từ một địa điểm cách sa mạc Ả Rập 2.400 km về phía tây – vùng đồng bằng sông Nile.

Đồng bằng sông Nile từng là một khu vực hết sức trù phú, nơi đã nuôi dưỡng một nền văn minh cổ đại rực rỡ trong hàng thiên niên kỷ. Nhưng cho tới những thập niên gần đây, sự trù phú của khu vực này đã bắt đầu biến mất. Chỉ trong vòng 10 năm của thập niên 1980, đồng bằng sông Nile đã thay da đổi thịt, sự màu mỡ và phì nhiêu của đất bỗng dưng biến mất.

Các nhà khoa học đã phải vật lộn để trả lời câu hỏi tại sao lại vậy. Họ để ý đến những đợt lũ hàng năm xảy ra vào cuối hè, khi đó sông Nile sẽ mở rộng, lấn vào các đồng bằng châu thổ. Nhưng tới cuối mùa, nước rút sẽ mang theo cả khoáng chất và dinh dưỡng có trong đất.

Trong hàng ngàn năm, đất ở đồng bằng sông Nile đã dựa vào những hạt sét để phục hồi độ phì nhiêu sau mỗi mùa lũy. Tuy nhiên, kể từ khi Ai Cập chặn dòng sông Nile để xây dựng đập thủy điện Aswan, những hạt sét tới từ lưu vực thoát nước của Đông Phi cũng đã bị chặn lại.

Hậu quả là đất dưới đồng bằng mất khoáng chất, dinh dưỡng và cả những hạt sét đem lại cho chúng khả năng phục hồi. Chỉ sau khoảng một vài thập kỷ, khi sự phì nhiêu của đất đã được khai thác hết, cả khu vực đồng bằng bắt đầu rơi vào suy thoái.

Desert Control, một công ty có trụ sở tại Na Uy là những người đầu tiên nhìn ra vấn đề này. Họ đã đi vào khía cạnh kỹ thuật để tìm ra một giải pháp giúp phục hồi những vùng đất sa mạc cằn cỗi được gọi là "nanoclay".

Nói theo Ole Sivertsen, giám đốc điều hành của Desert Control thì "nanoclay" có thể biến cát sa mạc thành hi vọng.

"Những dải đất mỏng có ít đất thịt sẽ phải vật lộn để giữ độ ẩm hoặc nuôi dưỡng một thảm thực vật phát triển trên mình. Nhưng sự hiện diện của đất sét với tỷ lệ thích hợp có thể thay đổi đáng kể toàn bộ bức tranh ấy", Ole Sivertsen nói.

Sử dụng đất sét để cải tạo đất không phải là một ý tưởng quá mới - những người nông dân đã áp dụng phương pháp này từ hàng nghìn năm trước. Tuy nhiên, việc xới lớp đất sét dày và nặng bên dưới để lật lên trên sẽ rất tốn công sức. Theo thời gian, nó cũng đồng thời phá vỡ đi hệ sinh thái dưới lòng đất.

Việc cày xới khiến carbon đang bị cô lập trong tầng đất sâu rò rỉ vào không khí, làm tăng thêm gánh nặng hiệu ứng nhà kính. Cuối cùng, nó có thể gây ra sự gián đoạn trong quần xã sinh vật đất - theo một cách tinh tế sẽ ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của thực vật và mùa màng trên đất, Saran Sohi một nhà khoa học đất đến từ Đại học Edinburgh giải thích.

Ông nói: "Một phần quan trọng của sinh học đất là mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và nấm ở dạng mycorrhizae, các sợi nấm hoạt động như phần mở rộng của hệ thống rễ cây.

Được bao phủ trong những cấu trúc giống như sợi lông cực nhỏ và mịn hơn nhiều so với rễ cây, chúng có thể tiếp cận với các chất dinh dưỡng mà rễ cây bản thân có thể không vươn tới và hấp thụ được.

Trong quá trình đó, các sợi nấm cũng kết nối các hạt khoáng chất của đất, duy trì cấu trúc đất và giảm thiểu xói mòn.

Làm xáo trộn đất bằng cách đào hoặc trồng trọt sẽ phá vỡ các cấu trúc nấm này, trong khi chúng cần thời gian để mọc lại. Trong khoảng thời gian đó, đất rất dễ bị tổn thương và chất dinh dưỡng nhiều khả năng sẽ bị thoát ra ngoài".

Thêm sét vào đất mặt là cách hiệu quả nhất để giải quyết tất cả các vấn đề. Bạn chỉ cần trộn sét vào tầng đất phía trên và nó có thể giữ lại được chất dinh dưỡng, lại vừa đảm bảo duy trì hệ sinh thái nấm và vi sinh vật phía dưới tầng đất sâu.

Thế nhưng, trộn bao nhiêu đất sét và các hạt sét như thế nào lại là một câu hỏi tiếp theo cần trả lời. Quá ít hạt sét sẽ không tạo ra tác động đáng kể. Ngược lại, quá nhiều sét có thể tạo thành một lớp vỏ không thấm nước trên bề mặt cát hoặc làm cho cát bị nén chặt hơn.

Kristian P Olesen, một kỹ sư động lực học chất lỏng người Na Uy đã dành nhiều năm nghiên cứu để trả lời câu hỏi đó. Ông đã tìm cách tạo ra những hạt sét tối ưu, có thể trộn dễ dàng vào cát để biến chúng trở lại thành đất sống.

"Sẽ không có một kích cỡ nào phù hợp với tất cả", Olesen nói. "Mười năm thử nghiệm ở Trung Quốc, Ai Cập, UAE và Pakistan đã dạy chúng tôi rằng mọi loại đất đều cần thử nghiệm, nếu chúng tôi muốn trộn ra một công thức nanoclay phù hợp".

Công nghệ nanoclay hoạt động bằng cách tưới một hỗn hợp nước được hòa với hạt sét nano xuống cát. Các hạt nano phải đảm bảo đủ nhỏ để có thể thấm qua bề mặt cát, xuống tới độ sâu 10-20 cm, trong và dưới vùng rễ cây. Nhưng nó cũng phải đủ lớn, không quá nhỏ để tiếp tục thấm xuống phía dưới hoặc thậm chí trôi đi mất.

May mắn thay, khi nói đến việc trộn cát với đất sét, một tính chất vật lý hữu ích của đất cũng phát huy tác dụng, đó là khả năng trao đổi cation.

Sivertsen giải thích: "Các hạt đất sét có điện tích âm do cấu tạo hóa học của chúng, trong khi hạt cát mang điện tích dương. Sự phân cực tự nhiên này có nghĩa là khi gặp nhau về mặt vật lý, chúng sẽ gắn kết lại được với nhau".

Kết quả của việc tưới những hạt sét xuống cát là sự hình thành của những "bông tuyết đất" với lõi là một hạt cát bám xung quanh một lớp hạt sét nhỏ từ 200-300 nano. Diện tích bề mặt tăng lên này cho phép nước và chất dinh dưỡng bám vào cát và kết hợp hóa học với nó chứ không bị mất đi khi chảy qua đất.

Sivertsen cho biết: "Đất sét bắt chước chất hữu cơ, giúp đất giữ nước và cho phép hệ động thực vật trong đất có chỗ đứng vững chắc. Một khi bạn có điều kiện ổn định các hạt sét này và giúp các chất dinh dưỡng trở nên khả dụng về mặt sinh học, bạn có thể trồng cây trên đó chỉ trong vòng bảy giờ".

Mặc dù đã được phát triển trong gần 15 năm, công nghệ nanoclay của Desert Control mới được mở rộng quy mô thương mại hóa trong vòng một năm qua. Đó là nhờ một thử nghiệm độc lập của Trung tâm Quốc tế về Nông nghiệp Biosaline (ICBA) ở Dubai.

Trong đó, họ đã chở hẳn những thùng container dài 13 mét chứa dung dịch hạt sét nano để tưới lên cát. Sivertsen gọi đó là những nhà máy nanoclay mini di động.

"Bây giờ chúng tôi đã có bằng chứng khoa học về tính hiệu quả của công nghệ này. Chúng tôi đặt mục tiêu sẽ xây dựng nhiều nhà máy mini di động trong các thùng container 40 ft với mục đích cuối cùng là tạo ra nhiều thay đổi nhất có thể", Sivertsen nói.

"Các đơn vị di động này sẽ trực tiếp tạo ra nanoclay lỏng ở nơi nó đến, sử dụng đất sét từ cùng một quốc gia và thuê nhân công trong khu vực".

Nhà máy đầu tiên trong số những nhà máy này sẽ có khả năng sản xuất 40.000 lít nanoclay lỏng một giờ và sẽ được đưa vào sử dụng trong các khu công viên thành phố ở UAE. Công nghệ này cũng có thể giảm lượng nước sử dụng lên tới 47%.

Về mặt chi phí, Sivertsen tính mỗi mét vuông cát được hồi sinh nhờ nanoclay chỉ mất khoảng 2 USD. Đó là mức giá hoàn toàn phải chăng với một đất nước giàu có như UAE. Nhưng để có thể tạo ra tác động lên những nước nghèo, ví dụ ở Châu Phi khu vực cận Sahara – Sivertsen sẽ cần tìm ra cách để giảm chi phí đó.

Hầu hết nông dân châu Phi sẽ không có vốn trả trước cho hoạt động cải tạo này. Quá trình xử lý cũng kéo dài khoảng 5 năm, sau đó đất sét mới có thể được phủ lên trên. Nhưng nếu điều đó có thể được hiện thực hóa, an ninh lương thực ở các quốc gia sa mạc sẽ được giải quyết.

Trong tầm nhìn của mình, Sivertsen cho biết Control Desert hoàn toàn có thể giảm chi phí xuống 10 lần, nghĩa là chỉ mất 0,2 USD cho mỗi mét vuông sa mạc được cải tạo. Để so sánh, chi phí mua đất nông nghiệp sản xuất ở những nơi khác trên thế giới dao động từ 0,5-3,5 USD mỗi mét vuông. Trong tương lai, việc cải tạo đất cát có thể còn rẻ hơn so với việc tìm kiếm một trang trại màu mỡ sẵn có.

"Ngoài ra, chúng tôi đang làm việc với Công ước Liên hợp quốc về Chống sa mạc hóa để hỗ trợ Dự án Bức tường Xanh Vĩ đại, một sáng kiến xây dựng một bức tường cây xanh kết hợp nông lâm nhằm ngăn chặn sự mở rộng của sa mạc ở Bắc Phi", Sivertsen cho biết.

Vậy là trong khi những thùng container của Control Desert truyền đất sét vào cát ở các khu vực Bắc Phi và Trung Đông, còn phần còn lại của thế giới sẽ tính sao?

Nghiên cứu cho thấy toàn bộ đất trên thế giới đã mất từ 20-60% carbon hữu cơ nhưng nanoclay chỉ phù hợp để giúp đất cát thoát khỏi sự thoái hóa. Điều đó có nghĩa là bạn sẽ không thể dùng nó để cải tạo đất mặn. Nhưng các nhà khoa học cho biết than sinh học có thể là giải pháp tương tự.

Than sinh học là một dạng carbon ổn định được tạo ra bằng cách đốt cháy các chất hữu cơ thông qua quá trình nhiệt phân, một quá trình hầu như không tạo ra bất kỳ chất ô nhiễm nào như CO2 vì oxy được giữ bên ngoài không tham gia vào hoạt động đốt cháy.

Việc đốt không nhờ oxy tạo ra một chất giống như than, rất xốp, nhẹ và có diện tích bề mặt lớn. "Đó chính là thứ mà những vùng đất bị suy kiệt cần đến", Sohi nói.

"Hàm lượng hữu cơ trong đất luôn thay đổi, nhưng một mức độ cơ bản của carbon ổn định cần được duy trì để đất có thể khỏe mạnh. Không giống như cách các chất hữu cơ được chuyển hóa liên tục và nhanh chóng bởi hoạt động của vi sinh vật, than sinh học là carbon ổn định.

Nó giúp đất giữ các chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển của thực vật. Nó cung cấp một giải pháp nhanh chóng để bổ sung carbon ổn định cho đất, rút ngắn quá trình có thể mất nhiều thập kỷ để phát triển".

Theo đó, than sinh học có thể giúp phục hồi những vùng đất thiếu chất hữu cơ do canh tác quá mức hoặc những vùng bị ảnh hưởng bởi hoạt động khai thác mỏ hoặc ô nhiễm, miễn là chất độc trong đất được xử lý trước.

Các kỹ thuật phục hồi đất khác bao gồm sử dụng vermiculite, một khoáng chất phyllosilicat được khai thác từ đá và xử lý bằng nhiệt để nó nở ra và xốp. Bản chất xốp của vật liệu tạo thành cho phép nó hấp thụ nước gấp ba lần trọng lượng của bản thân và giữ lại nước trong thời gian dài.

Trong khi đó, các hạt polyme có khả năng hấp thụ cao có thể được đặt trong vùng rễ của từng cây cối. Chúng cũng sẽ hỗ trợ việc hút nước trong thời gian ngắn.

Trở lại UAE, các cộng đồng sống gần khu vực Control Desert đặt nhà máy nanoclay đã được hưởng lợi từ khả năng biến sa mạc thành đất thịt. Sự xuất hiện của các sản phẩm trồng bằng nanoclay rất tình cờ lại trùng với thời điểm các quốc gia đóng cửa vì đại dịch COVID-19.

Khoảng 200 kg dưa hấu, bí xanh và một vụ kê ngọc trai đã được sản xuất trong lô thử nghiệm rộng 1.000 m2. Đó là lượng thức ăn đủ để cung cấp cho cả một gia đình.

Sivertsen nói: "Việc cấm vận ở UAE rất nghiêm ngặt và nhập khẩu của họ đã bị giảm mạnh, có nghĩa là sản phẩm tươi bây giờ không có sẵn cho nhiều người. Chúng tôi đã làm việc với ICBA và nhóm Red Crescent để đưa dưa hấu và bí xanh tươi đến các cá nhân và hộ gia đình gần đó.

Mục đích là để kiểm tra xem cây trồng trên đất nanoclay có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn, giống với điều mà chúng tôi đang hi vọng hay không. Kết quả đó sẽ được tiết lộ ngay sau mùa vụ thử nghiệm tới đây".

Thanh Long