Nông nghiệp hiện đại là hệ thống sản xuất nông nghiệp ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, công nghệ số, sinh học phân tử và phương thức quản lý tối ưu nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và đảm bảo tính bền vững môi trường. Khác với nền sản xuất phụ thuộc thuần túy vào kinh nghiệm bản địa hoặc thâm canh quá mức dựa vào hóa chất tổng hợp, mô hình nông nghiệp này tích hợp hài hòa giữa cơ giới hóa, kỹ thuật số và các nguyên lý sinh thái học nông nghiệp. Bài viết này trình bày toàn diện về bản chất lý thuyết, tiến trình phát triển lịch sử, các trụ cột công nghệ chủ chốt, so sánh đối sánh các mô hình canh tác và định hướng chiến lược phát triển nông nghiệp hiện đại tại Việt Nam.
Khái niệm và bản chất của nông nghiệp hiện đại
Thuật ngữ nông nghiệp hiện đại phản ánh một bước chuyển dịch sâu sắc trong tư duy và phương thức tổ chức sản xuất nông nghiệp toàn cầu. Trong các nghiên cứu học thuật, khái niệm này thường được gắn liền với các thuật ngữ tương đồng như nông nghiệp công nghệ cao và nông nghiệp 4.0. Trọng tâm của nền nông nghiệp này không chỉ dừng lại ở mục tiêu tối đa hóa sản lượng sinh học trên một đơn vị diện tích canh tác, mà hướng tới tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên, gia tăng giá trị chuỗi cung ứng và giảm thiểu tối đa các tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái.
Bản chất của nông nghiệp hiện đại được xây dựng dựa trên sự liên kết đa ngành, kết hợp chặt chẽ giữa khoa học đất, nông học, công nghệ thông tin, khí tượng học và công nghệ sinh học. Thay vì quản lý đồng ruộng dựa trên các giả định đồng nhất, hệ thống sản xuất hiện đại tiếp cận nông nghiệp như một hệ sinh thái phức hợp đòi hỏi các quyết định quản lý cục bộ chính xác theo từng đơn vị diện tích và từng giai đoạn phát triển sinh lý của cây trồng.
Tiến trình phát triển từ truyền thống đến nông nghiệp thông minh
Tiến trình phát triển của các phương thức sản xuất nông nghiệp trên thế giới trải qua nhiều giai đoạn chuyển biến quan trọng về mặt công nghệ và tổ chức:
- Nông nghiệp truyền thống: Dựa chủ yếu vào lao động thủ công, sức kéo động vật và kinh nghiệm tích lũy qua nhiều thế hệ. Năng suất cây trồng ở giai đoạn này thường thấp, tính ổn định không cao và dễ bị tổn thương nghiêm trọng trước biến thiên bất lợi của thời tiết và dịch bệnh hại.
- Nông nghiệp thâm canh hóa chất và cơ giới hóa: Gắn liền với cuộc Cách mạng Xanh từ nửa sau thế kỷ trước, đặc trưng bởi sự xuất hiện của máy móc cơ giới, hệ thống công trình thủy lợi quy mô lớn cùng việc gia tăng mạnh mẽ việc sử dụng các giống lai năng suất cao, phân bón hóa học và hóa chất bảo vệ thực vật tổng hợp.
- Nông nghiệp chính xác: Xuất hiện khi công nghệ định vị vệ tinh, hệ thống thông tin địa lý và thiết bị cảm biến bắt đầu được đưa vào theo dõi và quản lý tính biến thiên không gian của đồng ruộng.
- Nông nghiệp số và nông nghiệp 4.0: Tích hợp sâu rộng trí tuệ nhân tạo, thiết bị bay không người lái, dữ liệu lớn và mạng lưới kết nối vạn vật nhằm tự động hóa quy trình giám sát, ra quyết định và vận hành sản xuất.
Khủng hoảng sinh thái và nhu cầu tất yếu chuyển đổi mô hình
Mặc dù mô hình thâm canh nông nghiệp trong thế kỷ trước đã góp phần quan trọng trong việc giải quyết nạn đói, cái giá phải trả về mặt suy thoái tài nguyên và biến đổi môi trường sinh thái toàn cầu ngày càng trở nên nghiêm trọng. Các bằng chứng khoa học cho thấy mô hình sản xuất dựa vào việc tăng cường khai thác tự nhiên đã chạm tới các giới hạn sinh thái của hành tinh.
Áp lực tài nguyên đất, nước và khí hậu toàn cầu
Theo công trình tổng quan của Foley và cs. năm 2011 công bố trên tạp chí Nature, hoạt động nông nghiệp hiện đang chiếm dụng khoảng 38% diện tích bề mặt đất không đóng băng của Trái Đất. Trong cơ cấu sử dụng đất nông nghiệp toàn cầu, đất trồng trọt chiếm khoảng 12% và đồng cỏ chăn thả gia súc chiếm khoảng 26% diện tích đất không đóng băng theo Foley và cs. năm 2011. Diện tích đất đai khổng lồ này khiến nông nghiệp trở thành yếu tố tác động nhân sinh lớn nhất đối với thảm thực vật tự nhiên và đa dạng sinh học toàn cầu.
Bên cạnh áp lực đất đai, nguồn tài nguyên nước ngọt cũng chịu sự khai thác nghiêm ngặt từ hoạt động nông nghiệp. Theo Foley và cs. năm 2011, hoạt động nông nghiệp tiêu thụ tới khoảng 70% tổng lượng nước ngọt khai thác trên toàn cầu, chủ yếu phục vụ các hệ thống tưới tiêu thâm canh. Hơn nữa, nông nghiệp và các quá trình chuyển đổi sử dụng đất liên quan đóng góp từ 30% đến 35% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu theo Foley và cs. năm 2011.
Áp lực đối với hệ thống nông nghiệp càng gia tăng khi quy mô dân số thế giới tiếp tục mở rộng. Theo tính toán của Foley và cs. năm 2011, nhu cầu lương thực toàn cầu dự kiến sẽ tăng từ 70% đến 100% vào năm 2050. Do nguồn quỹ đất màu mỡ và nguồn nước tưới gần như đã cạn kiệt, việc tiếp tục mở rộng diện tích đồng ruộng sẽ gây tổn hại nghiêm trọng tới các cánh rừng nhiệt đới còn lại. Theo Foley và cs. năm 2011, giải pháp cốt lõi nằm ở việc nâng cao hiệu quả tài nguyên và thu hẹp khoảng cách năng suất canh tác, qua đó có tiềm năng gia tăng từ 28% (khi đạt 75% tiềm năng) đến 58% (khi đạt 95% tiềm năng) tổng sản lượng đối với các loại cây lương thực chủ lực trên các vùng đất canh tác hiện hữu. Đồng thời, theo Foley và cs. năm 2011, việc hạn chế thất thoát và lãng phí lương thực dọc theo chuỗi cung ứng—hiện chiếm từ 30% đến 40% sản lượng lương thực sản xuất trên thế giới—là đòi hỏi cấp thiết nhằm giảm bớt áp lực khai thác tài nguyên.
Hệ quả môi trường của phương thức thâm canh hóa chất
Mô hình nông nghiệp thâm canh truyền thống dựa trên việc lạm dụng vật tư hóa học tổng hợp đã bộc lộ những khiếm khuyết lớn về tính bền vững lâu dài. Theo nghiên cứu tổng quan của Tilman và cs. năm 2002 công bố trên tạp chí Nature, trong giai đoạn 35 năm trước năm 2002, sản lượng ngũ cốc toàn cầu đã tăng gấp đôi nhờ các biện pháp thâm canh nông nghiệp quy mô lớn. Tuy nhiên, sự tăng trưởng này đi kèm với sự gia tăng mất cân đối trong việc tiêu thụ phân bón vô cơ.
Theo Tilman và cs. năm 2002, từ năm 1960 đến năm 1995, lượng phân đạm sử dụng trên toàn cầu đã tăng khoảng 7 lần, trong khi lượng phân lân tăng khoảng 3,5 lần. Mặc dù lượng phân bón đưa vào đất tăng vọt, hiệu quả hấp thu của cây trồng lại suy giảm rõ rệt. Theo Tilman và cs. năm 2002, hiệu suất cây trồng hấp thu phân đạm trong các hệ thống canh tác ngũ cốc thâm canh thông thường chỉ đạt từ 30% đến 50%, đồng nghĩa với việc có từ 50% đến 70% lượng đạm bón vào ruộng bị thất thoát ra môi trường xung quanh.
Lượng đạm và lân dư thừa không được cây trồng đồng hóa sẽ theo dòng chảy bề mặt và thấm sâu vào các tầng nước ngầm, gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước ngọt và các vùng ven biển theo Tilman và cs. năm 2002. Ngoài ra, quá trình chuyển hóa đạm dư thừa trong đất bởi vi sinh vật giải phóng lượng lớn khí oxit nitơ (N2O)—một chất khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ theo Tilman và cs. năm 2002. Do đó, theo Tilman và cs. năm 2002, việc chuyển dịch sang một nền nông nghiệp bền vững đòi hỏi phải ứng dụng các kỹ thuật quản lý dinh dưỡng chính xác, áp dụng luân canh cây trồng hợp lý và triển khai các biện pháp quản lý dịch hại tổng hợp.
Các trụ cột công nghệ của nông nghiệp hiện đại
Nền nông nghiệp hiện đại vận hành dựa trên sự tích hợp của ba nhóm công nghệ cốt lõi: nông nghiệp chính xác, công nghệ sinh học và tự động hóa số hóa.
Nông nghiệp chính xác và công nghệ viễn thám
Theo tổng quan khoa học của Sishodia và cs. năm 2020 trên tạp chí Remote Sensing, nông nghiệp chính xác ứng dụng công nghệ viễn thám và thiết bị cảm biến nhằm nắm bắt và quản lý tối ưu tính biến thiên không gian và thời gian của các đặc tính thổ nhưỡng cũng như tình trạng sinh trưởng của cây trồng trên đồng ruộng. Bằng cách thu thập dữ liệu phản xạ quang phổ từ vệ tinh và thiết bị bay không người lái, các nhà nông học có thể phát hiện sớm các dấu hiệu căng thẳng nước, thiếu hụt dinh dưỡng khoáng hoặc sự bùng phát của sâu bệnh hại theo Sishodia và cs. năm 2020.
Trong số các công cụ quang phổ, chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) là công cụ toán học và viễn thám được sử dụng phổ biến nhất để đánh giá sức sống và độ che phủ của tán cây. Chỉ số này được tính toán dựa trên phản xạ ở dải sóng cận hồng ngoại và dải sóng đỏ theo công thức:
Trong đó, biểu thị độ phản xạ phổ của tán lá cây ở dải sóng cận hồng ngoại và biểu thị độ phản xạ ở dải sóng ánh sáng đỏ bị hấp thụ bởi sắc tố diệp lục. Theo Sishodia và cs. năm 2020, việc theo dõi chỉ số NDVI giúp các nhà quản lý nông nghiệp định lượng chính xác chỉ số diện tích lá, hàm lượng diệp lục và sinh khối thực vật, tạo cơ sở cho việc lập bản đồ dinh dưỡng cây trồng theo không gian.
Đặc biệt, sự phát triển của thiết bị bay không người lái trong nông nghiệp đã tạo ra bước đột phá về độ chi tiết dữ liệu. Theo Sishodia và cs. năm 2020, thiết bị bay không người lái cung cấp hình ảnh với độ phân giải không gian siêu cao dưới 10 cm và thậm chí dưới 5 cm mỗi điểm ảnh, đồng thời mang lại độ linh hoạt thời gian vượt trội khi có thể thu thập dữ liệu theo yêu cầu thực tế mà không bị hạn chế bởi chu kỳ quỹ đạo hay mây che phủ như vệ tinh truyền thống.
Dữ liệu viễn thám sau khi xử lý được nạp vào các hệ thống máy móc ứng dụng công nghệ bón và phun tỷ lệ biến đổi. Theo Sishodia và cs. năm 2020, công nghệ bón tỷ lệ biến đổi cho phép điều chỉnh liều lượng phân bón, hạt giống và thuốc bảo vệ thực vật phù hợp với nhu cầu cụ thể của từng mét vuông đất, qua đó giảm thiểu đáng kể chi phí vật tư và ngăn chặn tình trạng dư thừa hóa chất trong nông nghiệp.
Công nghệ sinh học phân tử và chọn tạo giống thích ứng
Bên cạnh công nghệ cảm biến và viễn thám, công nghệ sinh học phân tử đóng vai trò nền tảng trong việc nâng cao tiềm năng di truyền của cây trồng và vật nuôi. Các phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và kỹ thuật chỉnh sửa hệ gene cho phép rút ngắn đáng kể thời gian tạo giống mới so với các phương pháp lai tạo truyền thống.
Các giống cây trồng hiện đại được thiết kế để tăng cường khả năng chống chịu trước các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán kéo dài, độ mặn trong đất tăng cao và ngập úng bất thường. Đồng thời, công nghệ sinh học cung cấp các giải pháp chọn tạo giống kháng sâu bệnh tự nhiên, nâng cao hiệu quả sử dụng dinh dưỡng đạm và lân, giảm thiểu nhu cầu bổ sung phân bón hóa học từ bên ngoài.
Nông nghiệp số, Internet vạn vật và tự động hóa
Theo Sishodia và cs. năm 2020, làn sóng nông nghiệp 4.0 thúc đẩy sự hợp nhất giữa thế giới vật lý và thế giới số trong canh tác. Mạng lưới cảm biến mặt đất kết nối Internet vạn vật đo đạc liên tục các chỉ số nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, độ ẩm đất và nồng độ chất dinh dưỡng hòa tan trong dung dịch đất. Dữ liệu này được truyền tải theo thời gian thực về các nền tảng điện toán đám mây để phân tích và tự động kích hoạt hệ thống tưới nhỏ giọt hoặc điều khiển vi khí hậu nhà màng theo Sishodia và cs. năm 2020.
Trong các mô hình nông nghiệp hiện đại trong nhà như nhà màng thông minh, hệ thống thủy canh và khí canh, các yếu tố môi trường được kiểm soát hoàn toàn tự động. Robot thu hoạch ứng dụng thị giác máy tính và máy kéo tự hành tích hợp định vị vệ tinh độ chính xác cao giúp thực hiện các thao tác gieo hạt, làm cỏ cơ học và thu hoạch với độ chuẩn xác cao, giảm sự phụ thuộc vào lực lượng lao động thủ công.
So sánh đối chiếu các mô hình canh tác nông nghiệp
Nhằm làm rõ sự khác biệt căn bản giữa các phương thức sản xuất, bảng dưới đây đối chiếu ba mô hình nông nghiệp chính: nông nghiệp truyền thống, thâm canh hóa chất và nông nghiệp hiện đại tích hợp công nghệ cao và nông nghiệp chính xác.
| Tiêu chí so sánh | Nông nghiệp truyền thống | Thâm canh hóa chất (Cách mạng Xanh) | Nông nghiệp hiện đại (Nông nghiệp chính xác) |
|---|---|---|---|
| Nguồn năng lượng và động lực canh tác | Sức lao động con người và sức kéo động vật nuôi | Động cơ đốt trong và nhiên liệu hóa thạch | Cơ giới hóa thông minh, năng lượng tái tạo và thiết bị tự hành |
| Quản lý dinh dưỡng cây trồng | Phân chuồng ủ hoai mục và tro trấu tự nhiên | Bón phân vô cơ tổng hợp đồng loạt trên diện rộng | Bón tỷ lệ biến đổi theo nhu cầu vi mô qua dữ liệu viễn thám |
| Bảo vệ thực vật và kiểm soát dịch hại | Phương pháp thủ công kết hợp kinh nghiệm dân gian | Phun thuốc trừ sâu hóa học định kỳ trên toàn bộ cánh đồng | Quản lý dịch hại tổng hợp kết hợp cảm biến phát hiện sớm |
| Hiệu suất sử dụng tài nguyên | Hiệu suất thấp do phụ thuộc hoàn toàn vào thiên nhiên | Năng suất cao nhưng tỷ lệ thất thoát dưỡng chất rất lớn | Tối ưu hóa tài nguyên nước và phân bón ở mức tối đa |
| Tác động đến đất và môi trường | Ít gây ô nhiễm nhưng dễ suy thoái do thiếu dinh dưỡng bù đắp | Làm thoái hóa đất, gây phú dưỡng nước và phát thải khí nhà kính | Bảo tồn hệ vi sinh vật đất, giảm phát thải và tăng tính tuần hoàn |
| Khả năng kiểm soát và truy xuất | Không có khả năng truy xuất nguồn gốc sản phẩm | Kiểm soát hạn chế, chuỗi cung ứng phân tán và thiếu minh bạch | Minh bạch chuỗi giá trị qua dữ liệu số và mã số vùng trồng |
Chiến lược phát triển nông nghiệp hiện đại tại Việt Nam
Tại Việt Nam, nông nghiệp giữ vai trò trụ đỡ của nền kinh tế quốc gia, bảo đảm vững chắc an ninh lương thực và tạo việc làm cho hàng triệu lao động nông thôn. Tuy nhiên, trước bối cảnh biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp và áp lực hội nhập kinh tế quốc tế, mô hình tăng trưởng nông nghiệp dựa vào việc khai thác tài nguyên và thâm dụng hóa chất bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất chất lượng và tính cạnh tranh.
Mục tiêu chiến lược theo Quyết định số 150/QĐ-TTg
Nhằm tái cơ cấu toàn diện ngành nông nghiệp theo hướng nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 150/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển nông nghiệp và nông thôn bền vững giai đoạn 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 theo Thủ tướng Chính phủ năm 2022.
Theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022 của Thủ tướng Chính phủ, chiến lược đề ra các mục tiêu định lượng cụ thể cho giai đoạn 2021 - 2030 như sau:
- Tốc độ tăng trưởng GDP nông lâm thủy sản đạt bình quân từ 2,5% đến 3,0%/năm trong giai đoạn 2021 - 2030 theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022.
- Tốc độ tăng năng suất lao động nông nghiệp đạt bình quân từ 5,5% đến 6,0%/năm giai đoạn 2021 - 2030 theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022.
- Tốc độ tăng giá trị xuất khẩu nông lâm thủy sản đạt bình quân từ 5,0% đến 6,0%/năm đến năm 2030 theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022.
- Tỷ lệ lao động nông nghiệp được đào tạo đạt trên 70% vào năm 2030 theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022.
- Duy trì tỷ lệ che phủ rừng ổn định ở mức 42% và thực hiện giảm phát thải khí nhà kính 10% so với năm 2020 theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022.
- Tầm nhìn đến năm 2050 đặt mục tiêu đưa Việt Nam trở thành một trong những quốc gia có nền nông nghiệp hàng đầu thế giới với ngành công nghiệp chế biến nông sản hiện đại, hiệu quả và thân thiện với môi trường sinh thái theo Quyết định số 150/QĐ-TTg năm 2022.
Chuyển đổi số và ứng dụng mô hình sinh thái tuần hoàn
Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, ngành nông nghiệp Việt Nam đang đẩy mạnh chuyển đổi số trong mọi khâu của chuỗi giá trị. Việc cấp và quản lý mã số vùng trồng, mã cơ sở đóng gói kết hợp hệ thống truy xuất nguồn gốc điện tử giúp nông sản đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của các thị trường xuất khẩu lớn.
Song song với số hóa, mô hình nông nghiệp sinh thái tuần hoàn được triển khai mạnh mẽ nhằm giải quyết bài toán phụ phẩm nông nghiệp. Việc tái chế rơm rạ, phụ phẩm chăn nuôi và chế biến thủy sản thành phân bón hữu cơ, thức ăn chăn nuôi và năng lượng sinh học giúp khép kín chu trình dinh dưỡng, giảm phát thải khí nhà kính và gia tăng hiệu quả kinh tế cho người sản xuất.
Thách thức và vấn đề học thuật còn mở
Mặc dù nông nghiệp hiện đại mang lại những lợi ích vượt trội về năng suất và kiểm soát tài nguyên, việc nhân rộng mô hình này trên thực tế vẫn đối mặt với nhiều rào cản mang tính hệ thống:
- Rào cản về vốn đầu tư ban đầu: Chi phí trang bị hệ thống nhà màng, thiết bị cảm biến thông minh, máy móc cơ giới và phần mềm quản trị nông nghiệp số là tương đối lớn, vượt quá khả năng tài chính của phần lớn nông hộ sản xuất quy mô nhỏ tại các quốc gia đang phát triển.
- Sự chênh lệch về năng lực công nghệ và số hóa: Việc vận hành các thiết bị bay không người lái, hệ thống viễn thám và xử lý dữ liệu đòi hỏi lực lượng lao động nông nghiệp phải được đào tạo bài bản về kỹ năng số, tạo ra nguy cơ đào thải và nới rộng khoảng cách thu nhập ở khu vực nông thôn.
- Vấn đề an ninh và sở hữu dữ liệu nông nghiệp: Việc tập trung dữ liệu canh tác và thổ nhưỡng vào tay một số ít tập đoàn công nghệ làm nảy sinh mối quan ngại về bảo mật dữ liệu, tính riêng tư của người nông dân và sự phụ thuộc quá mức vào các nền tảng công nghệ ngoại nhập.
- Cân bằng giữa thâm canh năng suất và bảo tồn đa dạng sinh học: Câu hỏi học thuật lớn đang được tranh luận rộng rãi là làm thế nào để dung hòa giữa nhu cầu gia tăng sản lượng cây trồng thông qua các công nghệ thâm canh chính xác và yêu cầu duy trì sự đa dạng của các sinh cảnh tự nhiên trong cảnh quan nông nghiệp hỗn hợp.