Trong nghiên cứu trước đây, nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh mô hình mô phỏng cây trồng được gọi là Hệ thống hỗ trợ quyết định chuyển giao công nghệ nông nghiệp (DSSAT) để ước tính mức độ hiệu quả của lúa mạch đen trong việc loại bỏ nitrat khỏi nước thải nếu được trồng rộng rãi trên khắp Illinois. Trong nghiên cứu mới của mình, nhóm đã sử dụng DSSAT một lần nữa để dự báo tốc độ tăng trưởng của lúa mạch đen, cũng như ngô và đậu tương, trong ngắn hạn (2021-2040) và dài hạn (2041-2060) theo hai kịch bản khí hậu cho Illinois: một kịch bản tốt nhất và một kịch bản bình thường.

Nhóm đã thực hiện một cách tiếp cận từng phần, mô hình hóa từng thành phần của hệ thống một cách riêng biệt trước khi kết hợp chúng thành một dự đoán tổng thể về tác động của cây che phủ dưới tác động của biến đổi khí hậu.

Để bắt đầu, họ đã mô hình hóa các tác động của khí hậu đối với năng suất cây công nghiệp và sinh khối cây che phủ. Năng suất ngô giảm ở hầu hết các khu vực Illinois, khung thời gian trong tương lai và các kịch bản khí hậu, với năng suất trung bình thấp hơn 3,8% đến 11,5% so với mức trung bình hiện tại. Tuy nhiên, năng suất đậu tương chủ yếu tăng theo các khu vực và các kịch bản, với năng suất được dự báo cao hơn tới 27,5% so với mức trung bình hiện tại. Cuối cùng, mô hình dự đoán sinh khối cây che phủ sẽ bùng nổ do biến đổi khí hậu, với mức tăng từ 25% đến 103% so với con số hiện tại.

Đồng tác giả nghiên cứu Rabin Bhattarai, Phó Giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học, thuộc Đại học Nông nghiệp, cho biết: Ngô và đậu tương là hai loại cây trồng hoàn toàn khác nhau. Sự thay đổi về năng suất là do nhiều yếu tố. Ngoài sự gia tăng nhiệt độ dự kiến, năng suất bị ảnh hưởng khác nhau đối với từng loại cây trồng bởi những thay đổi về lượng mưa.

Nhìn vào sự thất thoát nitơ do biến đổi khí hậu, nhóm nghiên cứu dự đoán mức thất thoát sẽ lớn hơn 24% trong tương lai gần, và tăng lên khoảng 42% vào năm 2060.

Bhattarai nói: “Đất ấm hơn có nghĩa là vi khuẩn sẽ tích cực hơn trong việc chuyển đổi nitơ trong chất hữu cơ thành amoni và sau đó thành nitrat trong đất. Và nếu có nhiều nitrat hơn trong đất, khả năng thất thoát sẽ cao hơn. Chúng tôi đã chứng kiến lượng chất dinh dưỡng bị mất đi nhiều trong mùa xuân ẩm ướt, ấm áp, ngay cả trước khi trồng hoặc bón phân”.

Các nhà nghiên cứu xem xét tác động của cây che phủ đất đối với năng suất cây công nghiệp. Trong nghiên cứu DSSAT trước đây của họ, các nhà nghiên cứu nhận thấy việc trồng lúa mạch đen trước ngô và đậu tương có tác động tích cực đến năng suất. Theo Bhattarai, cây che phủ từ từ loại bỏ nitơ trong đất trong suốt mùa đông và trả lại chất dinh dưỡng cho cây trồng, giúp thúc đẩy tăng trưởng.

Dưới tác động của biến đổi khí hậu, những đám cây che phủ bị thiếu chất dinh dưỡng có thể làm cạn kiệt cả nước và nitơ trong đất, thậm chí chiếm lượng nitơ dồi dào hơn được dự đoán trong mùa đông ấm hơn. Sau đó, khi kết thúc, lượng sinh khối tuyệt đối của cây che phủ có thể lấn át bộ máy khoáng hóa của đất, khiến một số nitơ bị khóa lại và không có sẵn cho cây trồng.

Bhattarai nói: “Cho dù bạn có sử dụng cây che phủ hay không, thì bạn sẽ thấy năng suất ngô giảm trong tương lai. Điều tương tự cũng xảy ra với cây đậu tương. Nếu bạn thấy bất kỳ tác động nào đến năng suất cây trồng, thì đó không phải là do cây che phủ, mà là do khí hậu thay đổi.”

Cuối cùng, nhóm đã xem xét tác động của cây che phủ đối với sự thất thoát nitơ do biến đổi khí hậu. So với các điều kiện hiện tại, trong đó cây che phủ làm giảm khoảng 30% lượng nitơ thoát ra, thì cây che phủ có thể trở nên kém hiệu quả hơn trong các kịch bản trong tương lai, với mức giảm thấp nhất là 11% theo các dự đoán về trường hợp xấu nhất trong dài hạn.

Bhattarai nói: “Bạn không nhận được lợi ích giống như bây giờ. Bạn sẽ thấy cây che phủ phát triển tốt hơn với nhiệt độ ấm hơn, nhưng quá trình khoáng hóa sẽ vượt quá khả năng hấp thụ nitơ của chúng. Cây che phủ sẽ vẫn có hiệu quả trong việc giảm tổn thất. Nhưng hiệu quả sẽ giảm.”

Ông nói thêm rằng nông dân sẽ phải tăng cường cây che phủ bằng các biện pháp quản lý tốt nhất bổ sung để đáp ứng các mục tiêu giảm thất thoát chất dinh dưỡng khi đối mặt với biến đổi khí hậu.