Một số công nghệ quản lý nước tưới

​

Do nông nghiệp sử dụng khoảng 70% nguồn cung nước ngọt toàn cầu và 40% nông nghiệp sử dụng thủy lợi, nên công nghệ làm giảm yêu cầu tưới tiêu là rất quan trọng đối với khả năng cung cấp nước lâu dài. Gia tăng dân số toàn cầu sẽ làm tăng thêm nhu cầu đối với tài nguyên đất và nước canh tác. Các kỹ thuật thủy lợi thường dùng rất kém hiệu quả. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên Hiệp Quốc báo cáo rằng tưới tiêu nông nghiệp lãng phí trung bình 60% lượng nước lấy từ các nguồn nước ngọt. Những thất thoát diễn ra do bay hơi, thấm, hoặc cỏ dại phát triển. Việc tăng hiệu quả tưới tiêu cho sản xuất lương thực toàn cầu phụ thuộc vào tưới tiêu sẽ có tác động lớn đến nguồn cung cấp nước.

​

Mặc dù nông nghiệp sử dụng nước mưa, chiếm 58% sản xuất nông nghiệp toàn cầu, không dựa vào nước sông và hồ, những vẫn có các công nghệ có thể góp phần làm tăng năng suất nông nghiệp sử dụng nước mưa và làm giảm nhu cầu sử dụng các nguồn nước mặt. 69% diện tích ngũ cốc toàn cầu là sử dụng nước mưa, bao gồm 40% diện tích lúa, 66% lúa mì, 82% ngô và 86% hạt thô. Việc áp dụng công nghệ quản lý nước ở các vùng nông nghiệp nước mưa có thể đóng góp cho năng suất nông nghiệp nói chung.

Nông nghiệp thủy canh trong nhà kính. Bằng cách canh tác các loại cây trồng trên quy mô lớn trong các nhà kính thủy canh, việc sử dụng nước có thể được giảm 90% do giám sát chính xác nhu cầu nước của cây trồng. Ngoài việc tiết kiệm nước, công nghệ này có những ưu điểm khác như: giảm phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, duy trì chất lượng cây trồng phù hợp, và tránh sử dụng hóa chất trừ sâu bệnh. Hơn nữa, nhà kính được quây kín bằng các màng mỏng chặn tia hồng ngoại và tia cực tím làm giảm sự bốc hơi nước và yêu cầu ít làm mát. Tính kinh tế của sản xuất cây trồng với nông nghiệp ứng nhà kính mặc dù hiện chưa được đánh giá, tuy vậy nhà kính đang được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới, tăng trưởng trong tương lai của chúng phụ thuộc vào chi phí của nhà kính và mức độ tự động hóa có thể được sử dụng.

Nông trại thẳng đứng. Việc sử dụng các trang trại thẳng đứng để sản xuất cây trồng, một bước tiến xa hơn nông nghiệp thủy canh nhà kính, sẽ làm thay đổi triệt để hoạt động nông nghiệp hiện nay cho sản xuất lương thực. Công nghệ này có thể cho năng suất cao gấp 20 lần so với ngành nông nghiệp thông thường với lượng nước sử dụng ít hơn 95%. Được hình dung như là phương tiện để giữ cho sản xuất thực phẩm ở gần các trung tâm đô thị, nó sẽ có những lợi thế của nông nghiệp ứng nhà kính, đồng thời loại bỏ yêu cầu đất nông nghiệp bổ sung, làm giảm khoảng cách vận chuyển các sản phẩm nông nghiệp, và dễ dàng tái chế nước thải của các trung tâm đô thị. Canh tác thẳng đứng phải đối mặt với một số thách thức thấy trước. Nó có thể sẽ không hiệu quả về mặt năng lượng trừ khi thiết kế của nó bao gồm năng lượng tái tạo (chẳng hạn gió hoặc năng lượng mặt trời), đặc biệt là do nó không thể hoàn toàn dựa vào ánh sáng mặt trời. Ở giai đoạn này, canh tác thẳng đứng là một khái niệm hình dung ra một sự thay đổi triệt để trong sản xuất nông nghiệp mà chưa được thử nghiệm, làm cho việc tiếp nhận nó trong tương lai rất không chắc chắn. Hơn nữa, phân tích chi phí so sánh nó với canh tác thông thường vẫn chưa được thực hiện.

Tiết kiệm nước với kỹ thuật biến đổi gen cây trồng

Cây trồng chịu hạn. Một cách khác để tiết kiệm nước trong nông nghiệp là thiết kế các cây trồng có thể tồn tại và phát triển với ít nước. Khi cây lấy CO2 từ khí quyển, nó sẽ mất 500-1000 gram nước cho mỗi gram sản phẩm thu hoạch. Một cây chịu hạn thích nghi với các điều kiện khô hoặc hạn hán. Mặc dù các nhà khoa học từ nhiều năm nay đã tạo được các giống cây chịu hạn, nhưng các đặc điểm di truyền góp phần vào khả năng chịu hạn hán thường đi kèm với tốc độ tăng trưởng thấp và năng suất thấp.

Các nhà khoa học hiện đang sử dụng các công cụ của kỹ thuật di truyền để tạo ra các giống cây có thể tồn tại và phát triển với ít nước hơn mà không giảm năng suất. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các gen hoặc phân tử mà họ có thể thay đổi để tạo ra các cây có khả năng chịu hạn hán. Ba phương pháp để thiết kế các cây chịu hạn gồm: sự biểu hiện của các protein chức năng, thao tác của các yếu tố phiên mã, và điều chỉnh đường phát tín hiệu. Các protein chức năng (glycine betaine và proline) là các osmolytes (các phân tử điều hòa tính thẩm thấu của tế bào) làm tăng sự hấp thu và duy trì nước của cây trồng. Các yếu tố phiên mã kiểm soát sự biểu hiện của các gen liên quan đến tính chịu hạn. Điều chỉnh các đường phát tín hiệu liên quan đến các phân tử đưa tin như oxit nitric, ngăn ngừa tế bào sự mất chức năng và chết khi các điều kiện nước thấp tạo áp lực lên cây trồng. 

Các nhà khoa học đã phát triển khả năng chịu hạn ở một số cây trồng diện tích lớn. Monsanto, Pioneer Hi-Bred và Syngenta đang thử nghiệm giống ngô biến đổi gen có thể chịu được những điều kiện khô hạn định kỳ mà vẫn ổn định sản lượng. Arcadia Biosciences và Đại học California, Davis đã phát triển và trồng thử nghiệm gạo biến đổi gen có khả năng chịu hạn. Monsanto và BASF đã cùng phát triển ngô biến đổi gen được thử nghiệm tại Nam Phi và miền Tây Hoa Kỳ. Không có tưới bổ sung, ngô chịu hạn đã cho năng suất cao hơn 24% so với ngô được trồng thông thường. Nghiên cứu phát triển khả năng chịu hạn ở cây trồng đã diễn ra liên tục trong nhiều thập kỷ. Công việc này đã được thấy trước vì hơn 50 gen được cho biết là có tác động đến khả năng chịu hạn. Công ty Performance Plant ở Kingston, Ontario (Canada) đang thương mại hóa các cây chịu hạn gồm ngô, đậu tương, bông, cây cảnh và cỏ với sản lượng cao hơn 15-25% so với các loại cây trồng không chuyển gen đối ứng. Công ty Pioneer Hi-Bred đã bắt đầu bán ngô chịu hạn vào năm 2011.

Cây trồng chịu mặn. Phát triển các loại cây trồng chịu mặn có thể là một cách để giảm bớt các yêu cầu nước ngọt của sản xuất nông nghiệp. Có các cây hoang dã (halophytes) chịu được muối và phát triển trong môi trường nước mặn. Kỹ thuật di truyền để tạo ra các cây trồng chịu mặn sử dụng ba phương pháp chung là: loại bỏ natri ra khỏi các tế bào thực vật, ngăn chia natri và bài tiết natri. Các nhà khoa học tại Đại học California, Davis đã biến đổi gen các cây cà chua và cải dầu. Những cây chuyển gen này có thể chịu được nước có nồng độ muối tương đương với 40% muối trong nước biển, một mức thường ức chế sự tăng trưởng của tất cả các cây trồng. Các nhà khoa học tại Đại học Adelaide, phối hợp với Đại học Cambridge, đang phát triển lúa mì, lúa và lúa mạch chịu mặn. Họ đã biến đổi các gen liên quan đến sự dẫn nước trong cây để muối bị loại bỏ trước khi thoát hơi nước và không đi vào chồi cây. Các nhà khoa học tại Arcadia Biosciences tại Davis, California đang phát triển công nghệ cho phép các cây trồng duy trì sản lượng và chất lượng bình thường trong điều kiện mặn. Họ hy vọng công nghệ này sẽ được ứng dụng rộng rãi cho các loại cây trồng khác nhau, bao gồm ngô, lúa, đậu nành, lúa mì, cỏ linh lăng, rau, và cỏ.

Mặc dù công nghệ cây trồng chịu mặn này sẽ làm giảm nhu cầu nước ngọt ở một số khu vực nông nghiệp, nhưng hiện nay mới chỉ được kiểm tra trong các thử nghiệm thực địa. Nó chưa được kiểm tra trong các thử nghiệm dài hạn để xem liệu công nghệ này có các tác dụng phụ hay không. Hơn nữa, cây trồng chịu mặn biến đổi gen vẫn chưa tìm kiếm sự phê chuẩn pháp lý. Công nghệ này phải đối mặt với nhiều trở ngại trước khi nó có thể được thương mại hóa, khó có thể đạt được vào năm 2040.

NASATI (theo Global Food Security: Emerging Technologies to 2040)