Ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI giảm phát thải khí carbon hướng tới sản xuất nông nghiệp theo hướng bền vững tại xã Hoằng Lộc, tỉnh Thanh Hóa
Những năm gần đây, ứng dụng công nghệ và khai thác trí tuệ nhân tạo (AI) trong giảm phát thải khí nhà kính đã diễn ra tại nhiều địa phương trong nước đã mở ra hướng đi mới cho việc hình thành, trao đổi tín chỉ carbon trong tương lai hướng tới sản xuất và phát triển nền nông nghiệp xanh, bền vững. Tại Thanh Hóa một số các địa phương ứng dụng công nghệ này trong sản xuất nông nghiệp, tiêu biểu trong đó phải kể đến mô hình ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI giảm phát thải khí carbon hướng tới sản xuất nông nghiệp theo hướng bền vững tại xã Hoằng Lộc tỉnh Thanh Hóa.
Cán bộ dự án đang lắp đặt thiết bị tại thửa ruộng thực nghiệm tại xã Hoằng Lộc, tỉnh Thanh Hóa)
Tín chỉ carbon là đơn vị dùng để ghi nhận lượng khí nhà kính được giảm phát thải hoặc hấp thụ thông qua các hoạt động sản xuất nông nghiệp. Thông thường, 1 tín chỉ carbon tương đương với 1 tấn CO₂ hoặc lượng khí nhà kính khác như CH4, N2O quy đổi tương đương 1 tấn CO₂. Trong nông nghiệp, tín chỉ carbon có thể được tạo ra từ các biện pháp như giảm phát thải trong canh tác lúa, sử dụng phân bón hợp lý, quản lý nước tưới hiệu quả hoặc tăng khả năng hấp thụ carbon của đất và cây trồng. Những lợi ích mà tín chỉ carbon mang lại trong sản xuất nông nghiệp đó là: khuyến khích các hoạt động sản xuất nông nghiệp bền vững tạo nguồn thu nhập mới cho nông dân từ việc bán tín chỉ carbon cho các doanh nghiệp hoặc tổ chức có nhu cầu bù đắp lượng phát thải; nâng cao nhận thức cho người dân về biến đổi khí hậu và vai trò của nông nghiệp trong việc giảm phát thải, từ đó thúc đẩy các hoạt động giảm phát thải khí nhà kính từ ngành nông nghiệp; tạo ra giá trị thương hiệu cho sản phẩm khi mà hiện nay người tiêu dùng trên thế giới đánh giá cao các sản phẩm và dịch vụ có tác động tích cực đối với môi trường, từ đó nâng cao giá trị sản phẩm.
Trong hoạt động trồng trọt nguồn phát thải chủ yếu xuất phát từ ruộng lúa ngập nước liên tục suốt mùa vụ gây lãng phí nguồn tài nguyên nước, cùng với việc vùi rơm rạ không qua xử lý hoặc thói quen đốt rơm rạ sau thu hoạch không chỉ làm tăng phát thải CO₂ mà còn sinh ra nhiều khí độc hại khác như CH4. Ngoài ra, việc sử dụng các loại phân bón vô cơ, đặc biệt là lượng phân đạm bón thừa và thiếu kiểm soát, sử dụng thuốc BVTV chưa hợp lý dẫn đến phát thải khí N₂O từ đất. Một phần phát thải khác đến từ nguồn nhiên liệu máy móc sản xuất, hoạt động xử lý bao bì vật tư nông nghiệp sau sử dụng cũng dẫn đến tình trạng sản xuất thiếu bền vững, hệ sinh thái suy giảm, vì vậy hiệu quả sử dụng tài nguyên thấp, trong khi quy mô sản xuất nhỏ lẻ và trình độ kỹ thuật của người dân còn hạn chế đã khiến đất thoái hóa nhanh chóng. Người nông dân phải chịu chi phí đầu vào ngày càng cao mà chất lượng nông sản không ổn định, vì thế thu nhập bấp bênh, hiệu quả kinh tế không cao. Hệ quả lớn hơn là lượng phát thải ngày càng tăng cao gây nhiều hệ lụy khó khăn cho đời sống, sản xuất của người dân, trong khi nhận thức về canh tác giảm phát thải của cả người sản xuất và cán bộ quản lý còn hạn chế, ảnh hưởng trực tiếp tới mục tiêu giảm phát thải mà Việt Nam đã cam kết với quốc tế.
Tại xã Hoằng Lộc, dự án “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và bản sao số để phát triển nông nghiệp bền vững tại tỉnh Thanh Hóa” do quỹ Aus4Innovation tài trợ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Griffith (Úc) phối hợp với Sở Nông nghiệp và Môi trường Thanh Hoá đã tiến hành lắp đặt hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) để đo đạc, thu thập dữ liệu phát thải khí nhà kính trong sản xuất lúa trên diện tích 0,97 ha với sự tham gia của 5 hộ gia đình canh tác các giống lúa như TBR 225, Sao vàng 16. Tham gia mô hình các hộ dân được hỗ trợ toàn bộ phân bón, công chăm sóc và cam kết bù sản lượng nếu năng suất thấp hơn so với ngoài mô hình. Trong 0,97 ha diện tích thực hiện được chia 10 thửa ruộng trong đó có 8 thửa ruộng được áp dụng phương pháp tưới ướt khô xen kẽ (AWD), 2 thửa ruộng đối chứng sản xuất truyền thống. Trong quá trình thực hiện, cán bộ dự án sẽ hướng dẫn người dân quy trình canh tác, cách sử dụng ống đo mực nước và cách điều chỉnh mực nước luân phiên tùy giai đoạn sinh trưởng của cây thay vì để ngập nước liên tục như sản xuất truyền thống. Quy trình có tổng thời gian giữ ruộng 40 ngày ướt và 50 ngày khô. Mực nước sẽ được điều chỉnh luân phiên có thể gây ngập từ 3 – 5 cm so với mặt đất hoặc được rút kiệt, giai đoạn rút nước khô kiệt được thực hiện vào giai đoạn cây lúa đẻ nhánh rộ và giai đoạn sau trổ đến khi thu hoạch.
(Khu ruộng thực nghiệm tại xã Hoằng Lộc)
Trên diện tích thực hiện, hệ thống thiết bị được lắp đặt và kết nối với máy chủ tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để theo dõi các chức năng chính trong hệ thống làm cơ sở đưa ra khuyến nghị cho người sản xuất. Mỗi một máy lắp đặt có thể sử dụng cho diện tích hơn 1.000 m2 với điều kiện khu ruộng liền nhau, không có bờ ngăn và cùng chế độ nước, phân bón. Hệ thống này gồm hệ thống phần cứng và hệ thống phần mềm. Hệ thống phần cứng gồm (thiết bị cảm biến đất, nước, bộ thu thập dữ liệu, nguồn cấp năng lượng mặt trời, lồng nhốt khí phục vụ đo nồng độ khí phát thải tại ruộng) được lắp đặt ngoài ruộng để thu thập dữ liệu thực tế về điều kiện canh tác và hỗ trợ theo dõi phát thải khí nhà kính. Các thiết bị được thiết kế hoạt động trong điều kiện đồng ruộng, có khả năng chống nước và duy trì vận hành liên tục bằng pin sạc kết hợp năng lượng mặt trời (có thể duy trì điện cho hệ thống hoạt động 72 giờ liên tục trong trường hợp mưa bão kéo dài), hệ thống cũng được tích hợp tính năng liên kết dữ liệu với các hệ thống xung quanh trong trường hợp gặp sự cố, nhằm đảm bảo dữ liệu được cập nhật liên tục, không bị gián đoạn.
Hệ thống vận hành theo quy trình thu thập và cập nhật dữ liệu từ các cảm biến, hình ảnh viễn thám lên hệ thống. Các cảm biến này sẽ đo các chỉ số dinh dưỡng (N,P,K) trong đất, độ pH đất, mực nước trên đồng ruộng,… Hệ thống tự động tổng hợp, xử lý và phân tích dữ liệu để đánh giá tình hình sản xuất, phát thải và các chỉ số liên quan từ đó cung cấp các khuyến nghị cho nông dân về nhu cầu tưới/rút nước, sử dụng phân bón và một số chỉ tiêu liên quan đến phát thải, hỗ trợ việc xác minh các phương pháp quản lý, chống thất thoát sau thu hoạch, không đốt rơm rạ sau thu hoạch thông qua ảnh vệ tinh giúp việc theo dõi lịch sử canh tác rõ ràng và chính xác hơn. Hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên AI – đây là cốt lõi của nền tảng, dự báo cho nhiều khía cạnh quan trọng của nông nghiệp như: lựa chọn loài cây và vị trí trồng để tối đa hóa khả năng hấp thụ carbon dựa trên phân tích thời gian thực về chất lượng đất và điều kiện khí hậu; giám sát và phân tích khí thải từ thiết bị; cung cấp bản sao kỹ thuật số từ đó đề xuất các chiến lược để giảm thiểu phát thải carbon dựa trên dự đoán của AI, bản sao kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong quá trình cung cấp dữ liệu để định lượng chính xác quá trình hấp thụ, phát thải carbon trong quá trình canh tác, nâng cao độ tin cậy và khả năng sinh lợi của các dự án nông nghiệp carbon; tận dụng dữ liệu vệ tinh và cảm biến để dự đoán khả năng hấp thụ carbon trong tương lai, đánh giá các tác động môi trường và cung cấp thông tin cập nhật theo thời gian thực, cho phép nông dân tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên như nước và phân bón và thích ứng linh hoạt với các điều kiện môi trường thay đổi. Kết quả sẽ được hiển thị trên nền tảng web dưới dạng các thông tin, biểu đồ và khuyến nghị để người sử dụng theo dõi, tham khảo. Trong quá trình sử dụng, dữ liệu tiếp tục được cập nhật để hệ thống có thể duy trì và cải thiện chất lượng phân tích, dự báo.
Theo đánh giá dự án đã mang lại nhiều kết quả cụ thể: về hiệu quả kinh tế mô hình mang lại giá trị gia tăng vượt trội nhờ tối ưu hóa chi phí đầu vào và nâng cao lợi nhuận sản xuất. Ruộng lúa áp dụng phương pháp canh tác mới năng suất trung bình đạt 3,5 – 4 tạ/sào/vụ cao hơn 7,2% so với ruộng sản xuất thông thường, với giá bán 10.000 đồng/kg tổng doanh thu đạt được 3,5 – 4 triệu đồng/sào/vụ, sau khi trừ chi phí, lợi nhuận đạt 2 – 2,5 triệu đồng/sào/vụ tương đương 57 – 63%, do áp dụng kỹ thuật tưới ướt khô xen kẽ AWD giúp lượng nước giảm 50%, lượng phân bón giảm 30%, lượng giống giảm 20 – 30% so với ruộng đối chứng giúp hạ giá thành trực tiếp và giảm bớt công lao động cho các đợt bón phân rải rác. Cây lúa sản xuất theo phương pháp tưới ướt khô xen kẽ phát triển tốt, không có dấu hiệu chậm phát triển hay sâu bệnh nghiêm trọng, lá lúa ở ruộng áp dụng tưới ướt khô xen kẽ cứng cáp hơn, cây lúa hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn, chất lượng gạo ngon hơn.
Về mặt hiệu quả môi trường, việc chuyển đổi phương thức canh tác giúp cắt giảm đáng kể lượng phát thải khí nhà kính và cải thiện chất lượng môi trường đất, nước thông qua việc điều tiết nước theo quy trình ngập khô xen kẽ (AWD) kết hợp rút nước giữa vụ, môi trường oxy hóa trong đất được duy trì, làm gián đoạn quá trình phân hủy yếm khí của vi sinh vật trong đất từ đó giảm từ 38 – 60% lượng phát thải CH₄ (tương đương giảm 4,8 – 5 tấn CO2/ha/vụ, tương đương 4,8 – 5 tín chỉ carbon/ha/vụ). Đây là cơ hội để nông dân tham gia vào thị trường tín chỉ carbon quốc tế, mở ra nguồn thu nhập mới cho người nông dân và doanh nghiệp hoạt động thông qua việc bán tín chỉ carbon. Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa lượng phân bón hóa học, đặc biệt là phân đạm cùng kỹ thuật bón đúng thời điểm giúp hạn chế quá trình nitrat hóa giảm phát thải N₂O rõ rệt. Giải pháp này không chỉ làm giảm áp lực suy thoái tài nguyên đất, hạn chế dư lượng hóa chất tồn dư trong môi trường nước mà còn duy trì hàm lượng carbon hữu cơ bền vững trong đất canh tác.
Mô hình “Ứng dụng công nghệ AI trong sản xuất lúa phát thải thấp, tạo tín chỉ carbon” tại xã Hoằng Lộc nói riêng, tỉnh Thanh Hóa nói chung đạt hiệu quả tốt giúp ngành nông nghiệp tỉnh nhà có bước đột phá mới về công nghệ số, sử dụng trí tuệ nhân tạo trong sản xuất nông nghiệp bền vững, góp phần quan trọng cải thiện hệ thống quản lý phát thải chính xác, số liệu hoá số liệu nông nghiệp, tạo điều kiện cho nông dân tiếp cận công nghệ tiên tiến trong sản xuất giảm phát thải tạo tiền đề hình thành tín chỉ carbon trong tương lai đồng thời giúp nông dân kiểm soát chủ động phương thức canh tác, giảm chi phí đầu vào, tăng năng suất cây trồng, tạo ra sản phẩm nông nghiệp xanh có giá trị trên thị trường, xây dựng nhãn hàng hóa phát thải thấp từ đó giá trị sản phẩm lúa gạo tăng lên nhất là đối với sản phẩm lúa gạo xuất khẩu. Đồng thời sản xuất theo phương pháp này còn giúp giảm phát thải khí nhà kính, bảo vệ tài nguyên môi trường.
Phương Thúy