Sản xuất nông nghiệp là gì? Các công bố khoa học về Sản xuất nông nghiệp

Hệ thống thực phẩm góp phần từ 19% đến 29% tổng lượng khí nhà kính (GHG) phát sinh do con người trên toàn cầu, thải ra 9,800–16,900 triệu tấn khí carbon dioxide tương đương (MtCO₂e) vào năm 2008. Sản xuất nông nghiệp, bao gồm cả khí phát thải gián tiếp liên quan đến biến đổi phủ đất, chiếm 80%–86% tổng lượng khí thải của hệ thống thực phẩm, với sự khác biệt đáng kể giữa các vùng. Những tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu đối với hệ thống thực phẩm dự kiến sẽ trên diện rộng, phức tạp, biến đổi theo không gian và thời gian, và bị ảnh hưởng sâu sắc bởi các điều kiện kinh tế – xã hội. Các nghiên cứu thống kê lịch sử và mô hình đánh giá tích hợp cung cấp bằng chứng cho thấy biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng đến năng suất và thu nhập nông nghiệp, giá thực phẩm, độ tin cậy trong cung cấp, chất lượng thực phẩm và, đáng chú ý, là an toàn thực phẩm. Những người sản xuất và tiêu dùng thực phẩm có thu nhập thấp sẽ dễ bị tổn thương hơn trước biến đổi khí hậu do khả năng đầu tư hạn chế vào các thể chế và công nghệ thích ứng trước những rủi ro khí hậu ngày càng gia tăng. Một số sự tương hợp giữa an ninh lương thực, thích ứng và giảm thiểu là khả thi. Tuy nhiên, những can thiệp đầy hứa hẹn, như tăng cường sản xuất nông nghiệp hoặc giảm chất thải, sẽ cần quản lý cẩn thận để phân phối chi phí và lợi ích một cách hiệu quả.

Tóm tắt. Ngoài việc nâng cao năng suất nông nghiệp, việc áp dụng phân bón tổng hợp nitơ (N) và phốt pho (P) trên đất trồng đại trà đã thay đổi đáng kể ngân sách dinh dưỡng toàn cầu, chất lượng nước, sự cân bằng khí nhà kính và các phản hồi của chúng đến hệ thống khí hậu. Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu đầu vào phân bón mang tính địa lý, các nghiên cứu hệ thống Trái đất và mô hình bề mặt đất hiện tại phải bỏ qua hoặc sử dụng dữ liệu đơn giản hóa quá mức (ví dụ, sử dụng phân bón đồng nhất và tĩnh) để mô tả đầu vào N và P nông nghiệp trong các giai đoạn kéo dài hàng thập kỷ hoặc thế kỷ. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển dữ liệu lưới chuỗi thời gian toàn cầu về tỷ lệ sử dụng phân bón tổng hợp N và P hàng năm trên đất nông nghiệp, khớp với bản đồ sử dụng đất lịch sử HYDE 3.2, với độ phân giải 0.5° × 0.5° vĩ độ-kinh độ trong giai đoạn 1961–2013. Dữ liệu của chúng tôi chỉ ra rằng tỷ lệ sử dụng phân bón N và P trên một đơn vị diện tích canh tác đã tăng khoảng 8 lần và 3 lần, tương ứng, kể từ năm 1961 khi các cuộc khảo sát của IFA (Hiệp hội Công nghiệp Phân bón Quốc tế) và FAO (Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp) về đầu vào phân bón cấp quốc gia có sẵn. Xét về sự mở rộng đất trồng, sự gia tăng tiêu thụ phân bón tổng thể còn lớn hơn. Điểm nóng của việc áp dụng phân bón nông nghiệp N đã chuyển từ Hoa Kỳ và Tây Âu trong thập niên 1960 đến Đông Á vào đầu thế kỷ 21. Đầu vào phân bón P cho thấy một mô hình tương tự với một điểm nóng hiện tại bổ sung ở Brazil. Chúng tôi nhận thấy sự gia tăng toàn cầu về tỷ lệ N/P phân bón là 0.8 g N/g P mỗi thập kỷ (p<0.05) trong giai đoạn 1961–2013, điều này có thể có ý nghĩa quan trọng toàn cầu đối với tác động của con người lên chức năng hệ sinh thái lâu dài. Dữ liệu của chúng tôi có thể phục vụ như một trong những động cơ quan trọng đầu vào cho các mô hình khu vực và toàn cầu để đánh giá tác động của sự làm giàu dinh dưỡng đến hệ thống khí hậu, nguồn tài nguyên nước, an ninh lương thực, v.v. Các tập dữ liệu có sẵn tại doi:10.1594/PANGAEA.863323.

Văn học kinh tế sản xuất chứa nhiều nghiên cứu giả định rằng mục tiêu của nhà sản xuất là tối đa hóa lợi nhuận. Nghiên cứu này kiểm tra giả thuyết rằng tiện ích theo kiểu Bernoullian và kiểu lexicographic là những dự đoán chính xác hơn về hành vi của nông dân so với tối đa hóa lợi nhuận. Sáu trang trại lớn ở California đã được sử dụng để kiểm tra giả thuyết này. Sau thuế thu nhập, các biên dưới dạng kì vọng - phương sai (E-V) được xây dựng cho từng trang trại và tiện ích, và kế hoạch trồng trọt tối ưu lợi nhuận được xác định cho từng trang trại. Một tiêu chí độ phù hợp tốt cho thấy rằng các công thức tiện ích theo kiểu Bernoullian cung cấp độ chính xác cao nhất trong việc dự đoán các mẫu trồng trọt thực tế và dự định, theo sau là công thức kiểu lexicographic. Việc tối đa hóa lợi nhuận cho thấy khả năng dự đoán kém nhất.

Xã hội đang đối mặt với tình thế khó xử đa chiều về việc cân bằng một cách bền vững đời sống hiện tại với nhu cầu tài nguyên trong tương lai. Hiện tại, nông nghiệp đang khai thác Tầng chứa nước Ngầm Cao nguyên với mức độ vượt quá khả năng tự bù đắp tự nhiên, nhằm trồng trọt các cây trồng tưới nước và chăn nuôi gia súc để tăng cường kho lương thực toàn cầu, do đó cần có thông tin dựa trên cơ sở khoa học để hướng dẫn các quyết định. Chúng tôi giới thiệu các phương pháp mới để dự đoán xu hướng bơm nước ngầm và sản xuất ngô tưới tiêu và gia súc. Mặc dù sự suy giảm sản xuất là điều không thể tránh khỏi, nhưng phân tích kịch bản chỉ ra tác động của việc tăng cường tiết kiệm nước trong ngắn hạn, điều này sẽ kéo dài tuổi thọ khả dụng của tầng chứa nước, tăng sản lượng ròng và tạo ra sự suy giảm sản xuất ít rõ rệt hơn.

Biochar đã được khuyến nghị như một phương pháp lưu trữ carbon đồng thời cải thiện năng suất cây trồng và tính bền vững của hệ sinh thái nông nghiệp. Nó có thể được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối khác nhau bằng các công nghệ chuyển đổi nhiệt hóa khác nhau, có hoặc không thu hồi sản phẩm năng lượng phụ, dẫn đến các loại than (chars) có chất lượng khác nhau và một loạt các kết quả giảm thiểu khí nhà kính (GHG) của hệ thống. Phân tích này mở rộng các nghiên cứu trước đây về tính bền vững bằng cách đề xuất một mô hình đánh giá chi phí hoạt động vòng đời cơ chế GHG và kinh tế cho việc đồng sản xuất biochar và bioenergy từ nguyên liệu thải sinh khối, với một nghiên cứu trường hợp cho khu vực trung bắc Colorado. Quá trình sản xuất được mô tả như một hàm liên tục của nhiệt độ cho các hệ thống nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh và khí hóa. Lợi ích môi trường của biochar (C lưu trữ, N₂O kiềm chế, cải thiện năng suất cây trồng) được dự đoán dựa trên giá trị kiềm hóa kỳ vọng và độ bền. Giảm thiểu GHG của hệ thống được tính toán, và lợi nhuận ròng được ước tính phản ánh các chi phí sản xuất kinh tế thay đổi, giá trị nông học của biochar dựa trên giá trị thay thế vôi nông nghiệp hoặc phân bón, và giá trị giảm thiểu GHG, với các kết quả so với việc sử dụng char cho sản xuất năng lượng. Kết quả từ nghiên cứu trường hợp cho thấy các hệ thống nhiệt phân chậm có thể giảm thiểu tới 1.4 Mg CO₂eq/Mg nguyên liệu tiêu thụ, nếu sử dụng nguyên liệu phù hợp, giảm thiểu khí thải ô nhiễm từ sản xuất, và thu hồi các sản phẩm năng lượng phụ. Mô hình cho thấy rằng trong khi lợi nhuận tài chính thường cao hơn khi char được sử dụng cho năng lượng (biocoal) so với khi được sử dụng như một chất cải tạo đất (biochar), các char sản xuất qua các quá trình chuyển đổi nhiệt độ cao sẽ có giá trị giảm thiểu GHG cao hơn. Kịch bản biochar đạt được sự bình đẳng kinh tế với mức giá carbon chỉ từ $50/Mg CO₂eq cho các kịch bản tối ưu, bất chấp các giả định mô hình bảo thủ. Mô hình này là một bước tiến hướng tới đánh giá và tối ưu hóa thiết kế hệ thống biochar theo không gian trên các nguyên liệu khác nhau, công nghệ chuyển đổi và đất nông nghiệp.