Phản ứng của cây trồng với môi trường quyết định sự thích nghi của cây trồng và ảnh hưởng của nó đến sự thay đổi các biện pháp chăm sóc và nhân giống cây trồng. Mục đích chính là nâng cao sản lượng cây trồng trong thế kỷ 21. Hiểu được phản ứng của cây trồng với điều kiện môi trường sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản để xây dựng các phương pháp nhằm nâng cao sản lượng cây trồng. Sản lượng cây trồng được tính trên đơn vị diện tích đất hoặc trên một đơn vị thời gian hay trên một đơn vị đầu vào như công lao động và nước tưới. Việc nâng cao sản lượng cây trồng là rất cần thiết vì do sự tăng dân số và sự thay đổi nhu cầu tiêu thụ nên ở nhiều nơi trên thế giới nhu cầu về các sản phẩm nông nghiệp ngày càng lớn. Hơn nữa, diện tích đất trồng trọt có xu hướng giảm. Do vậy việc nâng cao sản lượng cây trồng là rất quan trọng đối với các nước đang phát triển, bởi vì đây sẽ là những nơi có nhu cầu lương thực lớn. Sự phát triển nông nghiệp có thể thúc đẩy sự phát triển nông thôn và thành thị, thu hẹp khoảng cách thu nhập giữa người giàu và người nghèo trên toàn thế giới. Việc nâng cao sản lượng cây trồng là nhu cầu của tất cả các nước nhằm duy trì lợi ích, tăng cường sự ổn định của các dự án nông nghiệp và góp phần bảo vệ môi trường.
Việc nâng cao sản lượng lương thực của các cây trồng chính cần được chú trọng. Nhu cầu về lúa mì dự tính tăng lên khoảng 1,3% một năm trên toàn thế giới và 1,8% ở các nước đang phát triển trong giai đoạn đến năm 2018 (Reynolds và cộng sự, 1999). Để đáp ứng được nhu cầu lúa mì tăng lên cần phải tăng sản lượng, vì khả năng tăng diện tích đất trồng lúa mì là giới hạn. Để đáp ứng nhu cầu thóc gạo trong giai đoạn 30 năm từ 1995-2025 yêu cầu diện tích lúa được tưới ở Châu Á có năng suất tăng trung bình từ 5,0 đến 8,5 tấn/ha có nghĩa là cần tăng mỗi năm là 1,8%. Chú ý: một tấn =1000kg = 2205Ib, và 1hecta=10.000m2 =2,47acre. Nhu cầu về ngô được dự đoán tăng khoảng 1,5%/năm trên toàn thế giới tới năm 2020 (Duvick và Cassman, 1999). Sự cải thiện đáng kể về giống cây trồng và các biện pháp chăm sóc sẽ cần thiết nếu sự nâng cao sản lượng của lúa mì, gạo và ngô từ 1,3 đến 1,8%/năm. Ví dụ, sự tăng sản lượng ngô trên toàn thế giới từ năm 1982 đến năm 1994 chỉ là 1,2% / năm, nhưng để tăng sản lượng từ 1,5 đến 1,8% thì cần sản lượng lớn hơn từ 25 đến 50%. Duvick và Cassman (1999) đã cho rằng, đã có sự đầu tư đáng kể trong nghiên cứu nhân giống ngô, nhưng bằng chứng về ngô lai chưa thích nghi với miền Trung Bắc nước Mỹ. Vì vậy, để sản xuất ngô ở nước Mỹ, thì cơ hội chủ yếu để tăng sản lượng có thể là tạo giống mới có khả năng chống chịu với điều kiện môi trường bất lợi hoặc phát triển các biện pháp sinh học tiên tiến. Các giống lúa chính được Viện nghiên cứu lúa quốc tế tại Philippin đưa ra trong giai đoạn từ năm 1966 đến năm 1995 và so sánh về sản lượng năm 1996 với 1998. Kết luận cho thấy sản lượng tăng lên 1% hàng năm là do di truyền (Peng và cs., 2000). Tuy nhiên, các tác giả cũng cho rằng, sản lượng tăng lên không phải là do di truyền của giống cây trồng cũ có năng suất thấp hơn giống cây trồng trong những năm gần đây vì các yếu tố hữu sinh và vô sinh mới xuất hiện và nhiều giống lúa hiện nay có khả năng thích nghi với các thay đổi đó.
Việc nâng cao sản lượng lương thực của các cây trồng chính cần được chú trọng. Nhu cầu về lúa mì dự tính tăng lên khoảng 1,3% một năm trên toàn thế giới và 1,8% ở các nước đang phát triển trong giai đoạn đến năm 2018 (Reynolds và cộng sự, 1999). Để đáp ứng được nhu cầu lúa mì tăng lên cần phải tăng sản lượng, vì khả năng tăng diện tích đất trồng lúa mì là giới hạn. Để đáp ứng nhu cầu thóc gạo trong giai đoạn 30 năm từ 1995-2025 yêu cầu diện tích lúa được tưới ở Châu Á có năng suất tăng trung bình từ 5,0 đến 8,5 tấn/ha có nghĩa là cần tăng mỗi năm là 1,8%. Chú ý: một tấn =1000kg = 2205Ib, và 1hecta=10.000m2 =2,47acre. Nhu cầu về ngô được dự đoán tăng khoảng 1,5%/năm trên toàn thế giới tới năm 2020 (Duvick và Cassman, 1999). Sự cải thiện đáng kể về giống cây trồng và các biện pháp chăm sóc sẽ cần thiết nếu sự nâng cao sản lượng của lúa mì, gạo và ngô từ 1,3 đến 1,8%/năm. Ví dụ, sự tăng sản lượng ngô trên toàn thế giới từ năm 1982 đến năm 1994 chỉ là 1,2% / năm, nhưng để tăng sản lượng từ 1,5 đến 1,8% thì cần sản lượng lớn hơn từ 25 đến 50%. Duvick và Cassman (1999) đã cho rằng, đã có sự đầu tư đáng kể trong nghiên cứu nhân giống ngô, nhưng bằng chứng về ngô lai chưa thích nghi với miền Trung Bắc nước Mỹ. Vì vậy, để sản xuất ngô ở nước Mỹ, thì cơ hội chủ yếu để tăng sản lượng có thể là tạo giống mới có khả năng chống chịu với điều kiện môi trường bất lợi hoặc phát triển các biện pháp sinh học tiên tiến. Các giống lúa chính được Viện nghiên cứu lúa quốc tế tại Philippin đưa ra trong giai đoạn từ năm 1966 đến năm 1995 và so sánh về sản lượng năm 1996 với 1998. Kết luận cho thấy sản lượng tăng lên 1% hàng năm là do di truyền (Peng và cs., 2000). Tuy nhiên, các tác giả cũng cho rằng, sản lượng tăng lên không phải là do di truyền của giống cây trồng cũ có năng suất thấp hơn giống cây trồng trong những năm gần đây vì các yếu tố hữu sinh và vô sinh mới xuất hiện và nhiều giống lúa hiện nay có khả năng thích nghi với các thay đổi đó.
Để duy trì sản lượng ở mức hiện tại một cách đơn giản thường cần các giống và các phương pháp chăm sóc mới, bởi vì các loài bệnh hại thì liên tục phát triển, và các khuynh hướng của môi trường vật lý, hoá học và môi trường xã hội đã thay đổi qua một số thập kỷ (Dobermann và cs., 2000). Trong những năm 1960, nhiều người đã xem thuốc trừ sâu đem lại lợi ích chủ yếu cho nhân loại. Việc phát triển các loại thuốc trừ sâu mới, có tác dụng lớn và tồn tại lâu dài được xem như là cách tốt nhất nhằm kiểm soát các loài sâu bệnh hại lên cây trồng. Tuy nhiên, sử dụng các loại thuốc trừ sâu có tác dụng rộng cũng có những tác động bất lợi lên những côn trùng có ích, mà có thể không có tác dụng trong việc kiểm soát các loài gây hại, các loại thuốc trừ sâu bền vững có thể gây hại cho những sinh vật trong hệ sinh thái, như là chim và con người. Đó cũng trở thành khó khăn đối với các công ty để phát triển các loại thuốc trừ sâu mới, thậm chí cả những loại mà có thể có những tác động có lợi và ít có hại. Ngoài ra cần chi phí cao để tăng cường sự chấp thuận của chính phủ với loại thuốc trừ sâu mới. Vì vậy, có nhiều cách khác nhau để kiểm soát các loài gây hại, như là lựa chọn giống cây trồng chống chịu sâu bệnh cao và sử dụng các biện pháp kiểm soát sinh học khác.
Ngoài cải thiện các giống cây trồng, để tăng năng suất của các loại ngũ cốc cũng cần tăng nguồn cung cấp đạm trong đất. Để đạt được năng suất tiềm năng của các loại ngũ cốc từ 6 đến 9 tấn/ha thì cây cần tiêu thụ 200 đến 300kg N/ha. Sự thiếu hụt nitơ trong đất là tình trạng chung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Nguồn nitơ trong đất được bổ sung chủ yếu từ việc bón phân đạm. Nhìn chung trên thế giới, việc sử dụng phân đạm ngày càng tăng. Nhưng việc sử dụng qúa nhiều phân đạm có thể dẫn đến sự ô nhiễm nước ngầm và ô nhiễm khí quyển với NOx. Một nguồn đạm khác trong đất cung cấp cho các cây ngũ cốc là sự cố định nitơ trong khí quyển của các cây họ đậu trồng luân canh với chúng. Tuy nhiên, theo Graham và Vance (2000) đã cho rằng việc l luân canh các cây họ đậu với các cây trồng khác và nuôi cấy các vi khuẩn nốt sần trong nông nghiệp có xu thế giảm. Ví dụ, trong một số trường hợp, diện tích trồng cây lương thực tăng lên đã làm giảm diện tích đất trồng cho cây họ đậu lấy hạt. Graham và Vance (2000) đã đánh giá những lợi thế và những sự hạn chế đối với sự cung cấp nitơ tăng lên của hệ thống cây trồng thông qua việc làm tăng sự cố định nitơ. Kết quả cho thấy rằng, hệ thống canh tác thâm canh sẽ tiếp tục cần sử dụng phân đạm và phân hữu cơ và các điều kiện chính để làm tăng sự cố định nitơ là phát triển hệ thống nông nghiệp nhiệt đới. Hơn nữa, để tăng số lượng lương thực cần phải tăng chất lượng dinh dưỡng của chúng đối với con người (Welch và Grham, 1999). Ví dụ, ở Nam châu Á, các cây lương thực đã tăng lên 4 lần từ năm 1965 đến 1995, các cây đậu lấy hạt giảm đi khoảng 20%. Các cây họ đậu cho hạt cung cấp các acid amin, vitamin và các chất khoáng cần thiết cho con người trong khi đó các cây lương thực không thể có được.
Các thông tin về tăng năng suất của các cây lương thực, cây đậu lấy hạt và các cây lương thực chính có thể tham khảo Tập đoàn Tư vấn về Nghiên cứu Nông nghiệp quốc tế (www.cgiar.org). Cục nông Nghiệp khoa học của nước Mỹ cung cấp nhiều chủ đề nông nghiệp và có thể tìm thấy tại (www.ars.usda.gov/is/ar/).
Những nhu cầu về lương thực thực phẩm trong tương lai chủ yếu phụ thuộc vào qui mô dân số. Một số vùng của các nước đang phát triển, nơi mà dân số đang tăng lên với tốc độ 3% mỗi năm, nếu duy trì tỷ lệ này, thì dân số sẽ tăng gấp đôi trong giai đoạn ngắn 23 năm. Việc nhân đôi trong các năm có thể được tính toán như sau: (ln2 / phần trăm tăng hàng năm) x 100.
Ngoài cải thiện các giống cây trồng, để tăng năng suất của các loại ngũ cốc cũng cần tăng nguồn cung cấp đạm trong đất. Để đạt được năng suất tiềm năng của các loại ngũ cốc từ 6 đến 9 tấn/ha thì cây cần tiêu thụ 200 đến 300kg N/ha. Sự thiếu hụt nitơ trong đất là tình trạng chung ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Nguồn nitơ trong đất được bổ sung chủ yếu từ việc bón phân đạm. Nhìn chung trên thế giới, việc sử dụng phân đạm ngày càng tăng. Nhưng việc sử dụng qúa nhiều phân đạm có thể dẫn đến sự ô nhiễm nước ngầm và ô nhiễm khí quyển với NOx. Một nguồn đạm khác trong đất cung cấp cho các cây ngũ cốc là sự cố định nitơ trong khí quyển của các cây họ đậu trồng luân canh với chúng. Tuy nhiên, theo Graham và Vance (2000) đã cho rằng việc l luân canh các cây họ đậu với các cây trồng khác và nuôi cấy các vi khuẩn nốt sần trong nông nghiệp có xu thế giảm. Ví dụ, trong một số trường hợp, diện tích trồng cây lương thực tăng lên đã làm giảm diện tích đất trồng cho cây họ đậu lấy hạt. Graham và Vance (2000) đã đánh giá những lợi thế và những sự hạn chế đối với sự cung cấp nitơ tăng lên của hệ thống cây trồng thông qua việc làm tăng sự cố định nitơ. Kết quả cho thấy rằng, hệ thống canh tác thâm canh sẽ tiếp tục cần sử dụng phân đạm và phân hữu cơ và các điều kiện chính để làm tăng sự cố định nitơ là phát triển hệ thống nông nghiệp nhiệt đới. Hơn nữa, để tăng số lượng lương thực cần phải tăng chất lượng dinh dưỡng của chúng đối với con người (Welch và Grham, 1999). Ví dụ, ở Nam châu Á, các cây lương thực đã tăng lên 4 lần từ năm 1965 đến 1995, các cây đậu lấy hạt giảm đi khoảng 20%. Các cây họ đậu cho hạt cung cấp các acid amin, vitamin và các chất khoáng cần thiết cho con người trong khi đó các cây lương thực không thể có được.
Các thông tin về tăng năng suất của các cây lương thực, cây đậu lấy hạt và các cây lương thực chính có thể tham khảo Tập đoàn Tư vấn về Nghiên cứu Nông nghiệp quốc tế (www.cgiar.org). Cục nông Nghiệp khoa học của nước Mỹ cung cấp nhiều chủ đề nông nghiệp và có thể tìm thấy tại (www.ars.usda.gov/is/ar/).
Những nhu cầu về lương thực thực phẩm trong tương lai chủ yếu phụ thuộc vào qui mô dân số. Một số vùng của các nước đang phát triển, nơi mà dân số đang tăng lên với tốc độ 3% mỗi năm, nếu duy trì tỷ lệ này, thì dân số sẽ tăng gấp đôi trong giai đoạn ngắn 23 năm. Việc nhân đôi trong các năm có thể được tính toán như sau: (ln2 / phần trăm tăng hàng năm) x 100.
Trong đó: ln2 = 0.693, đối với trường hợp tỉ lệ tăng lên là không đổi. Việc tăng dân số một cách nhanh chóng đòi hỏi việc cung cấp thức ăn, nhà cửa, trường học, bệnh viện, thuốc chữa bệnh, công việc..v.v cũng tăng lên . Sự phát triển của nông nghiệp thúc đẩy sự phát triển của nông thôn, qua đó làm giảm tỉ lệ sinh. Sự tăng dân số thế giới đang giảm dần và tiến tới giảm xuống bằng 0 hoặc nhỏ hơn không, khi nông nghiệp phát triển và các ngành khác. Mục tiêu giảm dân số là nhằm cân bằng giữa khả năng cung cấp các sản phẩm nông nghiệp của trái đất và nhu cầu của con người. Tuy nhiên mục tiêu này cũng khó đạt được, bởi vì việc tăng dân số thường gây nên những tổn hại lớn hơn cho sinh quyển. Sinh quyển là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả tất cả các sinh vật sống trên trái đất tương tác với tất cả các môi trường vật lý, hoá học. Sinh quyển bị tổn hại sẽ làm giảm các nguồn tài nguyên sẵn có đối với con người và các sinh vật khác đối với sức khoẻ của khí quyển.
Khả năng sản xuất các sản phẩm nông nghiệp phụ thuộc vào nguồn tài nguyên sẵn có. Tại nước Mỹ và nhiều nước khác (Việt Nam), sự mở rộng đô thị và các đường cao tốc mới đang tiếp tục lấy đi nhiều đất trồng trọt tốt nhất. Ngoài ra, một số vùng đất đến nay vẫn không được trồng trọt và nếu trồng trọt sẽ dẫn đến những vấn đề về môi trường khác như là xói mòn đất, ô nhiễm môi trường nước.
Hơn nữa, để tăng cung cấp lương thực, tăng hiệu suất cây trồng sẽ góp phần vào việc bảo vệ sức khoẻ môi trường và đa dạng sinh học, bằng cách có thể trồng trọt trên những đất canh tác hiện tại, còn những đất chưa canh tác tiếp tục sử dụng để duy tu môi trường sống tự nhiên. Cần tăng hiệu quả tưới và sử dụng hoá chất trong nông nghiệp khi cần thiết, bởi vì việc làm tăng sản phẩm nông nghiệp, còn có thể làm tăng chất lượng môi trường. Việc giảm nhu cầu tưới sẽ làm tăng thêm sự có sẵn của nước để duy trì các hệ thống thuỷ vực tự nhiên. Trong nhiều lưu vực sông, sự cạnh tranh nhu cầu dùng nước trong công nghiệp và nhu cầu nước cho môi trường sẽ làm giảm nguồn nước dùng cho tưới. Xây dựng các công trình mới nhằm tăng cường cung cấp nước như việc xây dựng các đập nước, hồ chứa nước và các hệ thống kênh dẫn đã được giảm xuống do nhận thấy các tác động phức tạp của các công trình đó. Thậm chí, ở nước Mỹ đang xuất hiện những khuynh hướng ngược lại là những đập đã xây dựng trước đây trên các dòng sông đang xem xét để loại bỏ chúng khơi thông dòng chảy nhằm khôi phục lại môi trường sống của cá hồi và các sinh vật khác mà sự sống của chúng phụ thuộc hoàn toàn vào các con sông. Nâng cao hiệu quả của việc sử dụng hoá chất trong nông nghiệp có thể làm giảm sự phát triển sinh vật do hệ thống cánh đồng nước bị ô nhiễm sinh quyển có ích bằng nhiều cách từ việc làm tăng hiệu quả của môi trường khác nhau.
Có thể làm gì để tăng năng suất cây trồng? Liệu có phải là sự bùng nổ công nghệ trong thế kỷ 21 cung cấp các phương pháp để sản xuất đồ ăn, thức uống, quần áo và các nguyên liệu quan trọng khác mà chúng ta thu được từ nông nghiệp hay không? Một số nguyên tắc đơn giản đưa ra các chỉ dẫn liên quan đến các cách tiếp cận nhằm làm tăng hiệu quả năng xuất cây trồng.
Thứ nhất, con người tiếp tục nhận các nhu cầu cơ bản về năng lượng từ thức ăn (carbonhydrat) chủ yếu từ cây trồng sinh trưởng trên đồng ruộng mà chúng đang hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời để thực hiện quá trình quang hợp. Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng đầu vào chính để sản xuất một khối lượng sinh khối khổng lồ và các cây trồng sinh trưởng trên đồng ruộng có cơ chế hấp thụ năng lượng của các tia sáng hiệu quả nhất. Theo nguyên lý, thì sự kết hợp năng lượng hạt nhân có thể cung cấp lượng năng lượng khổng lồ, nhưng việc sử dụng nó với một tỷ lệ lớn có thể làm cho trái đất phải chịu các mức độ tàn phá của sự ô nhiễm nhiệt.
Thứ hai, trong thế kỷ 21, hầu hết năng lượng thức ăn cung cấp cho con người vẫn phải nhận một cách trực tiếp hoặc gián tiếp từ các loại cây trồng chính, đặc biệt là từ các cây lương thực phổ biến như : lúa mì, lúa gạo và ngô. Bằng cách gián tiếp có nghĩa là các sản phẩm của các cây lương thực và các cây lương thực lấy hạt khác như lúa mạch và lúa miến (cao lương) sử dụng cho chăn nuôi như cho lợn, rồi chứng lại cung cấp thịt cho con người. Khi con người trở nên giàu có, họ thường có nhu cầu nhiều hơn về thịt hoặc các loại sản phẩm vật nuôi khác như trứng, sữa, bơ và pho mát, do vậy con người dành sản lượng lương thực lớn để sản xuất ra các thực phẩm này. Khoảng 90 đến 95% năng lượng sẵn có trong thức ăn dành cho con người bị mất đi khi con người ăn thịt ở những động vật ăn hạt ngũ cốc và để sản xuất ra 1 kg protein động vật chúng phải tiêu thụ khoảng 5 đến 6kg protein hạt ngủ cốc. Điều này có nghĩa là mỗi người cần sản lượng cây trồng lớn hơn khi chế độ dinh dưỡng của con người cần sản phẩm từ động vật là chính. Sự ăn chay hoàn toàn đối với tất cả mọi người không phải là giải pháp thực tế đối với các vấn đề tương lai liên quan đến sản xuất lương thực mà cần sử dụng những phần dư thừa của cây trồng mà con người không sử dụng được để chăn nuôi. Nhiều người thích chế độ ăn có thịt hay cá hoặc sản phẩm động vật khác, vì sản phẩm động vật làm tăng giá trị dinh dưỡng trong thức ăn. Sự phát triển của ngành ngư nghiệp trong tương lai sẽ có nhiều các trang trại cá, những trang trại này sẽ có nhu cầu lớn hơn về sản phẩm nông nghiệp, bởi vì các ao cá này sẽ cần thức ăn bổ sung từ các loại cây trồng.
Một lý do nữa là tại sao con người vẫn tiếp tục phụ thuộc vào các hạt ngũ cốc làm nguồn cung cấp năng lượng thức ăn chủ yếu (và protein), do vậy năm 2000 đã dành một diện tích lớn (khoảng 75%) vùng đất được trồng trọt sử dụng để sản xuất ra ngũ cốc. Có rất nhiều loại cây trồng làm thực phẩm, ví dụ, các tộc người Ân Độ ở nước Mỹ đã phát hiện ra quả đấu (acorn) có thể là thực phẩm chính nếu chúng được chế biến để loại bỏ tannin. Tuy nhiên, việc chuyển đổi các nông trang và các ngành công nghiệp để sản xuất và chế biến các loại cây trồng như quả đấu có thể phải mất rất nhiều năm và con người phải duy trì quan niệm về thực phẩm mà con người ưa thích và thay đổi bằng các thức ăn mới dần dần. Ngoài ra, ngũ cốc là lương thực thực phẩm có hiệu quả vì chúng rất dễ để chế biến, vận chuyển và dự trữ.
Người ta đã đề xuất những thay đổi cơ bản về các phương thức chăm sóc cây trồng trên đồng ruộng. Ví dụ, áp dụng các biện pháp canh tác “hữu cơ”, Biện pháp canh tác hữu cơ được định nghĩa là những biện pháp mà trong đó chỉ sử dụng những sản phẩm tự nhiên để bón cho cây, chúng ít gây nguy hại đối với sinh quyển. Tuy nhiên, việc chấp nhận các biện pháp canh tác “hữu cơ ” ở quy mô lớn có thể làm giảm sản lượng và làm tăng chi phí sản xuất đối với nhiều cây trồng chính. Đối với cây không thuộc họ đậu thì cần thiết phải duy trì một lượng đạm vô cơ từ mức độ trung bình đến cao để đảm bảo năng suất của nhiều loài cây trồng, bởi vì nguồn đạm hữu cơ cung cấp thường bị giới hạn hoặc đắt hơn phân đạm vô cơ. Ngoài ra, có những hạn chế đối với việc sử dụng rộng rãi phân hữu cơ và các loại phân xanh khác (Graham và Vance, 2000). Trong nhiều trường hợp, nếu không sử dụng thuốc diệt cỏ thì sự kiểm soát rất khó khăn hoặc đòi hỏi nhiều công lao động chân tay, ít người sẵn sàng làm công việc này khi xã hội trở nên giàu có hơn. Tuy nhiên, một số biện pháp được sử dụng trong việc canh tác “hữu cơ” như áp dụng thích hợp chu kỳ luân canh cây trồng và sự kết hợp giữa trang trại trồng trọt và chăn nuôi, có thể tạo nên những đóng góp rất quan trọng đối với sự phát triển bền vững của hệ sinh thái nông thôn. Sự phát triển bền vững và hiệu quả nhất của các hệ thống canh tác cần có sự tổng hợp của nhiều ý kiến đóng góp một cavhs khoa học xuất phát từ cả cách pháp “hữu cơ” và cách pháp tiếp cận chủ đạo đối với việc làm trang trại.
Tại sao không sử dụng kỹ thuật di truyền đẻ nâng cao hiệu quả của sản suất cây trồng? Trả lời câu hỏi phức tạp này là k ỹ thuật di truyền không thể tác động mạnh đến năng suất tiềm năng của cây trồng trên đơn vị diện tích trong một ngày đối với một số các cây trồng chính sinh trưởng hàng năm. Tác giả Sinclair (1994) cũng phân tích về các những hạn chế đối với sản lượng cây trồng. Tuy nhiên, kỹ thuật di truyền và nhân giống cây trồng có khả năng làm tăng năng suất cây trồng khi khả năng chống chịu với sâu bệnh của cây trồng tốt hơn. Các giống cây có khả năng chống chịu này có thể đóng góp chủ yếu đối với sự phát triển và sức khỏe môi trường nếu chúng được sinh trưởng trong điều kiện ít hoặc không sử dụng thuốc trừ sâu. Kỹ thuật di truyền và sự nhân giống cây trồng cũng có khả năng nâng cao sức chống chịu của cây trồng đối với các yếu tố môi trường vật lý bất lợi, bằng cách các giống cây có khả năng chịu đựng cao với băng giá, lạnh, hoặc nhiệt độ bất thuận. Vậy thì việc sử dụng kỹ thuật di truyền và nhân giống cây trồng để phát triển các giống cây thích nghi hoàn toàn với hạn hán, chẳng hạn như chúng có thể sinh trưởng ở các hoang mạc trên thế giới trong điều kiện ít được tưới không? Làm thế nào tạo ra giống cây cho năng suất khi được tưới bằng nước biển ? Sinh quyển có nguồn cung cấp nước biển khổng lồ. Những khó khăn đang phải đối mặt đối với việc nhân giống các cây trồng chịu mặn khi tưới bằng nước biển và những tiến triển bị hạn chế trong lĩnh vực này và việc tưới bằng nước biển thường có những tác động bất lợi tới cấu trúc của đất, làm cho đất có tính thấm và độ thoáng khí rất thấp.
Thông qua việc kết hợp giữa kỹ thuật di truyền với nhân giống cây trồng sẽ thúc đẩy sự phát triển các giống cây trồng, từ đó tạo ra các sản phẩm đáp ứng được nhu cầu của nhân loại, chẳng hạn các loại cây lấy dầu khác nhau, cây lấy tinh bột hoặc các loại cây cho chất protein đặc trưng, trong đó có thể sử dụng làm dược liệu và cho công nghiệp. Những tiến bộ đáng kể đạt được trong kỹ thuật di truyền đối với cây trồng đã tạo ra các hoá chất đặc biệt này. Tuy nhiên kỹ thuật di truyền cũng có những vấn đề riêng và các vấn đề tiềm năng và lợi ích cần được xem xét trong từng trường hợp cụ thể, trên cơ sở ưu tiên cho sự sản xuất theo thương mại. Để thảo luận về các vấn đề tiềm năng này tham khảo trang web của Hiệp hội các nhà khoa học liên quan (www.ucsusa.org) và theo Miflin (2000) cần phân tích cả hai vấn đề và cơ hội lớn từ kỹ thuật công nghệ sinh học cây trồng. Các qui trình đã được thiết lập ở Mỹ để cố gắng đảm bảo rằng sự sản xuất lương thực bằng kỹ thuật di truyền ít nhất cũng đảm bảo an toàn không thực và chất dinh dưỡng đối với các cây trồng truyền thống xem xét các độc tố và sự sinh ra các chất gây dị ứng, làm giảm mức độ dinh dưỡng và tạo ra sức kháng sinh (Kaeppler, 2000).
Trong các chương tiếp theo, ta sẽ thảo luận về một số nguyên lý phản ứng của cây trồng đối với môi trường và các phương pháp thực nghiệm như sử dụng các mô hình toán học. Ta sẽ tập trung vào các phản ứng sinh trưởng và sinh lý của cây trồng đối với mối quan hệ giữa ánh sáng, nhiệt độ và nước với cây trồng. Ta sẽ tập trung vào các lĩnh lực mà có các thông tin thích hợp liên quan đến hoạt động cải thiện quản lý cây trồng. Ta cũng sẽ mô tả các vùng khí hậu xác định sự thích nghi của cây trồng và sử dụng đất tối ưu trong sản xuất cây trồng. Cách định nghĩa về sự thích nghi này sẽ dựa vào nhiệt độ, lượng mưa và nhu cầu bốc hơi của khí quyển. Ta sẽ thảo luận cả về các vấn đề cân bằng năng lượng và bức xạ và chỉ ra dự báo về sử dụng nước của cây trồng. Ta sẽ giải thích tại sao cần nghiên cứu chu trình thuỷ văn, sinh lý cây trồng và các giai đoạn phát triển có thể áp dụng trong tối ưu hoá tưới nước. Ta sẽ nghiên cứu về những tương tác của các phản ứng của cây trồng đối với tác hại và các nhân tố sinh thái vô sinh như hạn hán và nhiệt độ.
Khả năng sản xuất các sản phẩm nông nghiệp phụ thuộc vào nguồn tài nguyên sẵn có. Tại nước Mỹ và nhiều nước khác (Việt Nam), sự mở rộng đô thị và các đường cao tốc mới đang tiếp tục lấy đi nhiều đất trồng trọt tốt nhất. Ngoài ra, một số vùng đất đến nay vẫn không được trồng trọt và nếu trồng trọt sẽ dẫn đến những vấn đề về môi trường khác như là xói mòn đất, ô nhiễm môi trường nước.
Hơn nữa, để tăng cung cấp lương thực, tăng hiệu suất cây trồng sẽ góp phần vào việc bảo vệ sức khoẻ môi trường và đa dạng sinh học, bằng cách có thể trồng trọt trên những đất canh tác hiện tại, còn những đất chưa canh tác tiếp tục sử dụng để duy tu môi trường sống tự nhiên. Cần tăng hiệu quả tưới và sử dụng hoá chất trong nông nghiệp khi cần thiết, bởi vì việc làm tăng sản phẩm nông nghiệp, còn có thể làm tăng chất lượng môi trường. Việc giảm nhu cầu tưới sẽ làm tăng thêm sự có sẵn của nước để duy trì các hệ thống thuỷ vực tự nhiên. Trong nhiều lưu vực sông, sự cạnh tranh nhu cầu dùng nước trong công nghiệp và nhu cầu nước cho môi trường sẽ làm giảm nguồn nước dùng cho tưới. Xây dựng các công trình mới nhằm tăng cường cung cấp nước như việc xây dựng các đập nước, hồ chứa nước và các hệ thống kênh dẫn đã được giảm xuống do nhận thấy các tác động phức tạp của các công trình đó. Thậm chí, ở nước Mỹ đang xuất hiện những khuynh hướng ngược lại là những đập đã xây dựng trước đây trên các dòng sông đang xem xét để loại bỏ chúng khơi thông dòng chảy nhằm khôi phục lại môi trường sống của cá hồi và các sinh vật khác mà sự sống của chúng phụ thuộc hoàn toàn vào các con sông. Nâng cao hiệu quả của việc sử dụng hoá chất trong nông nghiệp có thể làm giảm sự phát triển sinh vật do hệ thống cánh đồng nước bị ô nhiễm sinh quyển có ích bằng nhiều cách từ việc làm tăng hiệu quả của môi trường khác nhau.
Có thể làm gì để tăng năng suất cây trồng? Liệu có phải là sự bùng nổ công nghệ trong thế kỷ 21 cung cấp các phương pháp để sản xuất đồ ăn, thức uống, quần áo và các nguyên liệu quan trọng khác mà chúng ta thu được từ nông nghiệp hay không? Một số nguyên tắc đơn giản đưa ra các chỉ dẫn liên quan đến các cách tiếp cận nhằm làm tăng hiệu quả năng xuất cây trồng.
Thứ nhất, con người tiếp tục nhận các nhu cầu cơ bản về năng lượng từ thức ăn (carbonhydrat) chủ yếu từ cây trồng sinh trưởng trên đồng ruộng mà chúng đang hấp thu năng lượng bức xạ mặt trời để thực hiện quá trình quang hợp. Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng đầu vào chính để sản xuất một khối lượng sinh khối khổng lồ và các cây trồng sinh trưởng trên đồng ruộng có cơ chế hấp thụ năng lượng của các tia sáng hiệu quả nhất. Theo nguyên lý, thì sự kết hợp năng lượng hạt nhân có thể cung cấp lượng năng lượng khổng lồ, nhưng việc sử dụng nó với một tỷ lệ lớn có thể làm cho trái đất phải chịu các mức độ tàn phá của sự ô nhiễm nhiệt.
Thứ hai, trong thế kỷ 21, hầu hết năng lượng thức ăn cung cấp cho con người vẫn phải nhận một cách trực tiếp hoặc gián tiếp từ các loại cây trồng chính, đặc biệt là từ các cây lương thực phổ biến như : lúa mì, lúa gạo và ngô. Bằng cách gián tiếp có nghĩa là các sản phẩm của các cây lương thực và các cây lương thực lấy hạt khác như lúa mạch và lúa miến (cao lương) sử dụng cho chăn nuôi như cho lợn, rồi chứng lại cung cấp thịt cho con người. Khi con người trở nên giàu có, họ thường có nhu cầu nhiều hơn về thịt hoặc các loại sản phẩm vật nuôi khác như trứng, sữa, bơ và pho mát, do vậy con người dành sản lượng lương thực lớn để sản xuất ra các thực phẩm này. Khoảng 90 đến 95% năng lượng sẵn có trong thức ăn dành cho con người bị mất đi khi con người ăn thịt ở những động vật ăn hạt ngũ cốc và để sản xuất ra 1 kg protein động vật chúng phải tiêu thụ khoảng 5 đến 6kg protein hạt ngủ cốc. Điều này có nghĩa là mỗi người cần sản lượng cây trồng lớn hơn khi chế độ dinh dưỡng của con người cần sản phẩm từ động vật là chính. Sự ăn chay hoàn toàn đối với tất cả mọi người không phải là giải pháp thực tế đối với các vấn đề tương lai liên quan đến sản xuất lương thực mà cần sử dụng những phần dư thừa của cây trồng mà con người không sử dụng được để chăn nuôi. Nhiều người thích chế độ ăn có thịt hay cá hoặc sản phẩm động vật khác, vì sản phẩm động vật làm tăng giá trị dinh dưỡng trong thức ăn. Sự phát triển của ngành ngư nghiệp trong tương lai sẽ có nhiều các trang trại cá, những trang trại này sẽ có nhu cầu lớn hơn về sản phẩm nông nghiệp, bởi vì các ao cá này sẽ cần thức ăn bổ sung từ các loại cây trồng.
Một lý do nữa là tại sao con người vẫn tiếp tục phụ thuộc vào các hạt ngũ cốc làm nguồn cung cấp năng lượng thức ăn chủ yếu (và protein), do vậy năm 2000 đã dành một diện tích lớn (khoảng 75%) vùng đất được trồng trọt sử dụng để sản xuất ra ngũ cốc. Có rất nhiều loại cây trồng làm thực phẩm, ví dụ, các tộc người Ân Độ ở nước Mỹ đã phát hiện ra quả đấu (acorn) có thể là thực phẩm chính nếu chúng được chế biến để loại bỏ tannin. Tuy nhiên, việc chuyển đổi các nông trang và các ngành công nghiệp để sản xuất và chế biến các loại cây trồng như quả đấu có thể phải mất rất nhiều năm và con người phải duy trì quan niệm về thực phẩm mà con người ưa thích và thay đổi bằng các thức ăn mới dần dần. Ngoài ra, ngũ cốc là lương thực thực phẩm có hiệu quả vì chúng rất dễ để chế biến, vận chuyển và dự trữ.
Người ta đã đề xuất những thay đổi cơ bản về các phương thức chăm sóc cây trồng trên đồng ruộng. Ví dụ, áp dụng các biện pháp canh tác “hữu cơ”, Biện pháp canh tác hữu cơ được định nghĩa là những biện pháp mà trong đó chỉ sử dụng những sản phẩm tự nhiên để bón cho cây, chúng ít gây nguy hại đối với sinh quyển. Tuy nhiên, việc chấp nhận các biện pháp canh tác “hữu cơ ” ở quy mô lớn có thể làm giảm sản lượng và làm tăng chi phí sản xuất đối với nhiều cây trồng chính. Đối với cây không thuộc họ đậu thì cần thiết phải duy trì một lượng đạm vô cơ từ mức độ trung bình đến cao để đảm bảo năng suất của nhiều loài cây trồng, bởi vì nguồn đạm hữu cơ cung cấp thường bị giới hạn hoặc đắt hơn phân đạm vô cơ. Ngoài ra, có những hạn chế đối với việc sử dụng rộng rãi phân hữu cơ và các loại phân xanh khác (Graham và Vance, 2000). Trong nhiều trường hợp, nếu không sử dụng thuốc diệt cỏ thì sự kiểm soát rất khó khăn hoặc đòi hỏi nhiều công lao động chân tay, ít người sẵn sàng làm công việc này khi xã hội trở nên giàu có hơn. Tuy nhiên, một số biện pháp được sử dụng trong việc canh tác “hữu cơ” như áp dụng thích hợp chu kỳ luân canh cây trồng và sự kết hợp giữa trang trại trồng trọt và chăn nuôi, có thể tạo nên những đóng góp rất quan trọng đối với sự phát triển bền vững của hệ sinh thái nông thôn. Sự phát triển bền vững và hiệu quả nhất của các hệ thống canh tác cần có sự tổng hợp của nhiều ý kiến đóng góp một cavhs khoa học xuất phát từ cả cách pháp “hữu cơ” và cách pháp tiếp cận chủ đạo đối với việc làm trang trại.
Tại sao không sử dụng kỹ thuật di truyền đẻ nâng cao hiệu quả của sản suất cây trồng? Trả lời câu hỏi phức tạp này là k ỹ thuật di truyền không thể tác động mạnh đến năng suất tiềm năng của cây trồng trên đơn vị diện tích trong một ngày đối với một số các cây trồng chính sinh trưởng hàng năm. Tác giả Sinclair (1994) cũng phân tích về các những hạn chế đối với sản lượng cây trồng. Tuy nhiên, kỹ thuật di truyền và nhân giống cây trồng có khả năng làm tăng năng suất cây trồng khi khả năng chống chịu với sâu bệnh của cây trồng tốt hơn. Các giống cây có khả năng chống chịu này có thể đóng góp chủ yếu đối với sự phát triển và sức khỏe môi trường nếu chúng được sinh trưởng trong điều kiện ít hoặc không sử dụng thuốc trừ sâu. Kỹ thuật di truyền và sự nhân giống cây trồng cũng có khả năng nâng cao sức chống chịu của cây trồng đối với các yếu tố môi trường vật lý bất lợi, bằng cách các giống cây có khả năng chịu đựng cao với băng giá, lạnh, hoặc nhiệt độ bất thuận. Vậy thì việc sử dụng kỹ thuật di truyền và nhân giống cây trồng để phát triển các giống cây thích nghi hoàn toàn với hạn hán, chẳng hạn như chúng có thể sinh trưởng ở các hoang mạc trên thế giới trong điều kiện ít được tưới không? Làm thế nào tạo ra giống cây cho năng suất khi được tưới bằng nước biển ? Sinh quyển có nguồn cung cấp nước biển khổng lồ. Những khó khăn đang phải đối mặt đối với việc nhân giống các cây trồng chịu mặn khi tưới bằng nước biển và những tiến triển bị hạn chế trong lĩnh vực này và việc tưới bằng nước biển thường có những tác động bất lợi tới cấu trúc của đất, làm cho đất có tính thấm và độ thoáng khí rất thấp.
Thông qua việc kết hợp giữa kỹ thuật di truyền với nhân giống cây trồng sẽ thúc đẩy sự phát triển các giống cây trồng, từ đó tạo ra các sản phẩm đáp ứng được nhu cầu của nhân loại, chẳng hạn các loại cây lấy dầu khác nhau, cây lấy tinh bột hoặc các loại cây cho chất protein đặc trưng, trong đó có thể sử dụng làm dược liệu và cho công nghiệp. Những tiến bộ đáng kể đạt được trong kỹ thuật di truyền đối với cây trồng đã tạo ra các hoá chất đặc biệt này. Tuy nhiên kỹ thuật di truyền cũng có những vấn đề riêng và các vấn đề tiềm năng và lợi ích cần được xem xét trong từng trường hợp cụ thể, trên cơ sở ưu tiên cho sự sản xuất theo thương mại. Để thảo luận về các vấn đề tiềm năng này tham khảo trang web của Hiệp hội các nhà khoa học liên quan (www.ucsusa.org) và theo Miflin (2000) cần phân tích cả hai vấn đề và cơ hội lớn từ kỹ thuật công nghệ sinh học cây trồng. Các qui trình đã được thiết lập ở Mỹ để cố gắng đảm bảo rằng sự sản xuất lương thực bằng kỹ thuật di truyền ít nhất cũng đảm bảo an toàn không thực và chất dinh dưỡng đối với các cây trồng truyền thống xem xét các độc tố và sự sinh ra các chất gây dị ứng, làm giảm mức độ dinh dưỡng và tạo ra sức kháng sinh (Kaeppler, 2000).
Trong các chương tiếp theo, ta sẽ thảo luận về một số nguyên lý phản ứng của cây trồng đối với môi trường và các phương pháp thực nghiệm như sử dụng các mô hình toán học. Ta sẽ tập trung vào các phản ứng sinh trưởng và sinh lý của cây trồng đối với mối quan hệ giữa ánh sáng, nhiệt độ và nước với cây trồng. Ta sẽ tập trung vào các lĩnh lực mà có các thông tin thích hợp liên quan đến hoạt động cải thiện quản lý cây trồng. Ta cũng sẽ mô tả các vùng khí hậu xác định sự thích nghi của cây trồng và sử dụng đất tối ưu trong sản xuất cây trồng. Cách định nghĩa về sự thích nghi này sẽ dựa vào nhiệt độ, lượng mưa và nhu cầu bốc hơi của khí quyển. Ta sẽ thảo luận cả về các vấn đề cân bằng năng lượng và bức xạ và chỉ ra dự báo về sử dụng nước của cây trồng. Ta sẽ giải thích tại sao cần nghiên cứu chu trình thuỷ văn, sinh lý cây trồng và các giai đoạn phát triển có thể áp dụng trong tối ưu hoá tưới nước. Ta sẽ nghiên cứu về những tương tác của các phản ứng của cây trồng đối với tác hại và các nhân tố sinh thái vô sinh như hạn hán và nhiệt độ.
[EBOOK] GIÁO TRÌNH QUẢN LÝ CÂY TRỒNG VÀ ĐẤT, BỘ MÔN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN, TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
Quý bạn đọc có thể tải ebook trên về TẠI ĐÂY.
Từ khoá: ebook, giáo trình, quản lý cây trồng, quản lý đất đai, quản lý cây trồng và đất, giáo trình quản lý cây trồng và đất, quản lý tài nguyên thiên nhiên, tài nguyên môi trường
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét
levantaihg@gmail.com