CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HÌNH NGÀNH NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO TRONG TƢƠNG LAI MỤC LỤC GIỚI THIỆU .1 I TOÀN CẢNH LƢƠNG THỰC THẾ GIỚI TRONG 10 NĂM TỚI .2 1.1 Tiêu thụ .2 1.2 Sản xuất .5 1.3 Thƣơng mại 1.4 Giá 10 II CÁC CÔNG NGHỆ CAO ĐỊNH HÌNH NGÀNH NÔNG NGHIỆP 13 2.1 Công nghệ nâng cao suất trồng 13 2.1.1 Công nghệ phân tử nhân giống trồng 14 2.1.2 Công nghệ chuyển gen trồng 16 2.1.3 Công nghệ kiểm soát sinh học .19 2.2 Công nghệ tạo giống sức khỏe vật nuôi 20 2.2.1 Công nghệ chọn lọc dựa dấu tạo giống vật nuôi 20 2.2.2 Kỹ thuật di truyền (sửa gen) cho vật nuôi 21 2.3 Công nghệ quản lý nƣớc tƣới 22 2.3.1 Công nghệ tưới tiêu tiên tiến .23 2.3.2 Nông nghiệp nhà kính 25 2.3.3 Tiết kiệm nước với kỹ thuật biến đổi gen trồng 26 2.4 Công nghệ quản lý đất trồng .27 2.4.1 Công nghệ cố định ni-tơ cho thực vật không thuộc họ đậu 28 2.4.2 Công nghệ biến đổi vi sinh vật đất 29 2.5 Công nghệ nuôi trồng thủy sản 30 2.6 Công nghệ nông nghiệp xác .33 2.6.1 Các thành phần bản: Lập đồ quản lý 34 2.6.2 Các hệ thống tích hợp đầu tiên: theo dõi suất .36 2.6.3 Các công nghệ nổi: Canh tác thay đổi theo vùng dẫn tự động 36 2.6.4 Công nghệ tương lai: Robot nông trại cánh đồng thông minh 37 2.7 Công nghệ nhiên liệu sinh học 39 2.7.1 Ethanol xenlulô 40 2.7.2 Dầu diesel sinh học từ sinh khối 42 2.7.3 Butanol sinh học 42 2.7.4 Nhiên liệu sinh học drop-in 43 2.7.5 Quang hợp nhân tạo 45 2.8 Công nghệ chế biến sau thu hoạch 45 2.8.1 Các công nghệ sơ chế 46 2.8.2 Đóng gói không khí thay đổi 46 KẾT LUẬN 48 Tài liệu tham khảo 48 GIỚI THIỆU Nông nghiệp toàn cầu đối mặt với số thách thức lớn năm tới: tăng dân số nhanh chóng toàn giới, biến đổi khí hậu, tăng nhu cầu lượng, khan nguồn lực, tốc độ đô thị hóa gia tăng, thay đổi chế độ ăn uống, dân số già vùng nông thôn nước phát triển, cạnh tranh gia tăng thị trường giới, khó khăn tiếp cận tín dụng đất nhiều nước phát triển Công nghệ chắn phương tiện để cải thiện sản xuất nông nghiệp cần thiết để đáp ứng nhu cầu dân số giới ngày tăng Ngành nông nghiệp nhiều nơi giới bước ngoặt quan trọng Việc áp dụng công nghệ số hóa ngày cao hoạt động nông nghiệp làm cho sản xuất sản phẩm động, thực vật với hiệu ngày cao tác động môi trường thấp Các công nghệ có tác động lớn đến suất nông nghiệp 10 năm bao gồm việc sử dụng trồng biến đổi gen có, quản lý đất nước, kiểm soát dịch hại, chế biến sau thu hoạch Đổi công nghệ nông nghiệp phức tạp đa dạng thông số ảnh hưởng đến suất trồng hay đàn vật nuôi Điều có nghĩa đột phá công nghệ đảm bảo tăng suất nông nghiệp giới Những cải tiến di truyền thực vật động vật cần lồng ghép cách hiệu chi phí với công nghệ quản lý sâu bệnh, đất, dinh dưỡng động vật, nước Hơn phát triển công nghệ phải thích nghi với điều kiện nông nghiệp địa phương đa dạng Tổng luận Các công nghệ định hình ngành nông nghiệp công nghệ cao tƣơng lai gồm phần: 1) Dự báo ngành nông nghiệp giới 10 năm tới; 2) Các công nghệ cao định hình ngành nông nghiệp đến 2040, Cục Thông tin khoa học công nghệ quốc gia tổng hợp từ nghiên cứu tổ chức quốc tế với hy vọng giúp người đọc định hình xu hướng phát triển nông nghiệp giới thập niên tới, đóng góp cho việc xây dựng nông nghiệp công nghệ cao nước nhà Xin trân trọng giới thiệu CỤC THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUỐC GIA I TOÀN CẢNH LƢƠNG THỰC THẾ GIỚI TRONG 10 NĂM TỚI Các hệ thống thực phẩm nông nghiệp đảm nhiệm loạt chức sống cho hạnh phúc nhân loại Là trung tâm an ninh lương thực toàn cầu, hệ thống kỳ vọng cung cấp đầy đủ tin cậy cho giới nguồn thực phẩm an toàn, lành mạnh bổ dưỡng Chúng đặc biệt quan trọng cho đời sống hàng tỷ người, có nhiều người nghèo giới, cung cấp việc làm thu nhập trực tiếp góp phần vào phát triển kinh tế nông thôn nói chung Để tiếp tục thực vai trò quan trọng này, sản xuất nông nghiệp phải gia tăng cách bền vững 1.1 Tiêu thụ Động lực tiêu thụ thực phẩm toàn cầu Động lực nhu cầu hàng hóa nông nghiệp toàn cầu thập kỷ tới tăng dân số nước phát triển Dân số giới dự kiến tăng từ 7,4 tỷ người năm 2016 lên 8,1 tỷ năm 2025, với 95% mức tăng diễn nước phát triển Đến năm 2025, giới có 6,7 tỷ người sống nước phát triển 1,4 tỷ nước phát triển Điều có nghĩa từ năm 2005 đến năm 2025 dân số nước phát triển gia tăng tương đương với toàn dân số nước phát triển Sự tăng trưởng nhanh dân số xảy vùng Hạ Sahara châu Phi (SSA), với mức tăng từ 0,96-1,22 tỷ, tương đương 2,7% năm khoảng năm 2016 2025 Yếu tố định thứ hai thu nhập gia tăng, qua bổ sung vào mức tiêu thụ người Một lần nữa, động lực cho tăng trưởng tiêu thụ đến từ nước phát triển tốc độ tăng trưởng thu nhập bình quân đầu người dự kiến cao Ngoài ra, người nghèo có xu hướng dành phần lớn thu nhập tăng thêm họ cho thực phẩm Ví dụ, phần thu nhập tăng thêm chi cho thực phẩm Trung Quốc Hoa Kỳ năm 2025 dự kiến tương ứng với 3,4% mức tăng thu nhập Trung Quốc có 1,1% gia tăng thu nhập Hoa Kỳ Tăng thu nhập bình quân đầu người có liên quan đến yếu tố thứ ba: thay đổi thói quen tiêu dùng Khi nước phát triển, họ trải qua "quá độ dinh dưỡng", theo thu nhập cao trước tiên chuyển dịch thành nhu cầu calo nhiều hơn, sau thành nhu cầu protein nhiều (thường từ nguồn động vật) chất dinh dưỡng khác từ trái rau Xu hướng kèm với tiêu thụ nhiều đường, dầu chất béo, tiêu thụ thực phẩm chế biến nhiều Nhiều nước phát triển có cấu tiêu thụ phức tạp, có người suy dinh dưỡng (không có đủ calo), dinh dưỡng (có nhiều) thiếu dinh dưỡng (thường chế độ ăn uống không lành mạnh) Các nước phát triển chủ yếu có chế độ thực phẩm ổn định hơn, với thu nhập tăng chậm mô hình tiêu thụ ảnh hưởng với thay đổi thu nhập Tiêu thụ lương thực nước phát triển chủ yếu ngũ cốc Tăng dân số, tăng thu nhập thói quen tiêu dùng thay đổi tích hợp vào định hướng tiêu thụ lương thực bình quân đầu người Trong năm 2025, nước phát triển tiêu thụ khối lượng thực phẩm cao tính theo đầu người Tuy nhiên, khoảng cách nước phát triển phát triển (trừ SSA) thu hẹp mức tiêu thụ bình quân đầu người số nước phát triển vượt mức trung bình nước phát triển Mặt khác, tiêu thụ tính theo đầu người SSA thấp 20% so với nước phát triển khác, với khoảng nửa số calo từ tiêu thụ ngũ cốc Trong ba nhóm nước, ngũ cốc thành phần phần ăn tính theo đầu người tầm quan trọng tương đối chúng giảm nhẹ Người tiêu dùng nước phát triển tiếp tục giảm lượng ngũ cốc chuyển sang nguồn lượng khác Tiêu thụ ngũ cốc làm thực phẩm theo đầu người tăng nhẹ nước phát triển (trừ SSA), dự kiến tăng 4,9% khu vực SSA Điều thú vị tiêu thụ lúa gạo SSA có tốc độ tăng trưởng lớn số ngũ cốc (8,3%), từ 25,8 lên 27,9 kg/người/năm sau 10 năm Rễ củ, cụ thể sắn, thành phần quan trọng chế độ ăn SSA, với mức tiêu thụ bình quân đầu người 53 kg năm 2025 Tiêu thụ thịt bình quân đầu người năm 2025 ước đạt 69,7 kg trọng lượng bán lẻ (RWT) nước phát triển; nhiều gấp đôi nước phát triển khác (32 kg RWT), gần bảy lần so với SSA (11,3 kg RWT) Ở nước phát triển, thịt cho thấy có tăng trưởng mạnh chủ yếu nhu cầu tăng chắn Bắc Mỹ Tiêu thụ cá bình quân đầu người năm 2025 nước phát triển dự kiến thấp so với nước phát triển (21,5 kg sống (lw) so với 23,3 kg lw) Tuy nhiên, không tính SSA, tiêu thụ cá bình quân đầu người năm 2025 nước phát triển 24,3 kg lw vượt mức tiêu thụ nước phát triển Tiêu thụ sản phẩm sữa bình quân đầu người nước phát triển (không bao gồm SSA) tăng 21% so với giai đoạn sở định hướng chủ yếu vào sản phẩm sữa tươi so với sản phẩm sữa chế biến Sự gia tăng mức tiêu thụ bình quân đầu người lớn sản phẩm sữa tươi diến Ấn Độ, Pakistan, Thổ Nhĩ Kỳ Uruguay Ở nước phát triển, tiêu thụ bình quân đầu người dự kiến tăng nhanh thập kỷ tới so với thập kỷ trước Tăng trưởng nhu cầu thúc đẩy chủ yếu người tiêu dùng Ukraine Liên bang Nga, nơi lệnh cấm nhập dự kiến dỡ bỏ năm 2017 SSA dự kiến tăng nhẹ tiêu thụ sữa bình quân đầu người Xét tổng thể, việc tiêu thụ nhiều thịt, cá sản phẩm sữa dẫn đến chế độ ăn đa dạng lượng protein hấp thụ bình quân đầu người cao Trên quy mô toàn cầu, xu hướng tiêu thụ thịt tăng với thu nhập vượt xu hướng giảm tiêu thụ thịt nước có mức tiêu thụ bình quân đầu người cao Các nước phát triển tăng nhu cầu đường dầu thực vật Ở nước phát triển, tiêu thụ đường người tăng 15% theo đầu người Điều có nghĩa tăng từ 20 kg lên 23 kg bình quân đầu người nước phát triển (không bao gồm SSA) từ đến 2025 từ 11 kg lên 12 kg SSA Để giúp nước xác định lượng đường phù hợp với chế độ ăn uống lành mạnh, WHO khuyến cáo năm 2015 lượng đường hấp thụ bình quân đầu người hàng ngày không vượt 10% tổng lượng hấp thụ, ngụ ý tiêu thụ đường dự kiến tỷ lệ với tổng lượng calo hấp thụ Thực Hướng dẫn WHO tác động mặt nhu cầu mà phía sản xuất Nhu cầu tiêu thụ dầu thực vật nước phát triển tăng đáng kể, thấp so với nước phát triển Đến năm 2025, nước phát triển (trừ SSA) tiêu thụ 23,5 kg bình quân đầu người, gần nước phát triển (25,5 kg), tiêu thụ SSA tăng lên 12,8 kg Khi thu nhập tăng, tiêu thụ dầu thực vật tăng lên Ấn Độ Thái Lan dự kiến có tốc độ tăng trưởng đặc biệt cao tiêu thụ dầu thực vật làm thực phẩm theo đầu người, tương ứng 55% 49% Tiêu thụ nông sản hàng hóa tổng thể tăng trưởng nhanh nước phát triển Gia tăng tiêu thụ lương thực bình quân đầu người kết hợp với tăng dân số tạo gia tăng tổng thể tiêu thụ lương thực Một phần ngũ cốc hạt có dầu sử dụng cho thức ăn gia súc sản xuất nhiên liệu sinh học, thực tế tổng tăng trưởng tiêu thụ vượt tăng trưởng dân số không thiết có nghĩa tăng mức tiêu thụ thực phẩm đầu người Trong số nước phát triển, Hoa Kỳ Liên minh châu Âu động lực lớn nhu cầu nhiên liệu sinh học Các nước phát triển (trừ SSA) có tốc độ tăng tiêu thụ mạnh tất nhóm hàng hóa Nhóm nước gồm quốc gia đông dân kinh tế dự kiến có tăng trưởng lớn vè kinh tế thu nhập Sự gia tăng tiêu thụ SSA cao hầu hết loại hàng hóa so với nước phát triển khác 1.2 Sản xuất Nhu cầu cao dự trữ thấp dẫn đến giá nông sản tăng cao năm gần Cùng với đó, cải cách sách nhiều nước đưa ưu đãi kinh tế tạo điều kiện thuận lợi cho gia tăng sản xuất nông nghiệp toàn cầu Nhìn chung, ngành phát triển mức 2,5% năm thập kỷ qua Trong thập kỷ tới, sản xuất nông nghiệp phải đối mặt với loạt thách thức khác Giá hàng hóa bắt đầu giảm năm 2013, dự trữ bổ sung tăng trưởng kinh tế nước sản xuất dự kiến chậm lại Như nêu trên, tăng trưởng nhu cầu toàn cầu khác loại hàng hóa, tổng thể dự báo chậm so với thập kỷ trước Kết làm suy yếu thị trường nông sản, khiến cho ngành hấp dẫn đầu tư, hạn chế tăng trưởng sản lượng nông nghiệp mức 1,6% trung bình hàng năm giai đoạn dự báo Sau tăng mạnh năm gần đây, sản lượng trồng dự kiến tăng khoảng 1,5% năm thập kỷ tới Đông Nam Á: sản xuất tăng bất chấp hạn chế tài nguyên Khu vực Đông Nam Á nơi sản xuất sản phẩm nông nghiệp lớn giới Trong giai đoạn sở 2013-15, khu vực sản xuất khoảng 40% lượng ngũ cốc thịt giới gần 60% loại dầu thực vật, chủ yếu cọ Ngành nông nghiệp phải đối mặt với hạn chế ngày tăng diện tích nước tình trạng thiếu lao động Chủ yếu nhờ tăng cường sản xuất nâng cao hiệu quả, sản lượng nông nghiệp khu vực dự kiến tăng gần 20% thập kỷ tới Ngành chăn nuôi đóng góp khoảng 40% vào phát triển này, trồng trọt đóng góp 33% thủy sản 27% Do vị trí thống trị cải thiện suất mạnh, 89% gia tăng sản lượng gạo toàn cầu nước Đông Nam Á, chủ yếu Ấn Độ, Indonesia Bangladesh Sản lượng ngô, trồng quan trọng thứ hai khu vực tăng chủ yếu Trung Quốc Sản xuất đậu tương khu vực tăng khoảng 30% từ mức thấp, tập trung chủ yếu Trung Quốc, Ấn Độ Indonesia Ngoài việc nhà nhập hàng đầu, Trung Quốc nước lớn sản xuất loại hạt có dầu khác (chủ yếu dầu hạt cải lạc), sản lượng không gia tăng nhiều Bên cạnh sản xuất bột protein dầu thực vật từ loại hạt có dầu, nước Đông Nam Á dẫn giới sản xuất dầu cọ Việc đáp ứng nhu cầu tăng nhanh nước thịt, sữa cá thách thức ngành chăn nuôi khu vực Sản lượng thịt tăng 1,8 triệu hàng năm đến 2025, tăng 17% so với giai đoạn sở Trong thịt lợn gia cầm chiếm số lượng lớn Trung Quốc tiếp tục nước sản xuất gia súc quan trọng khu vực, đặc biệt thịt lợn Các nước Đông Nam Á dự báo tiếp tục thống trị nuôi trồng thủy sản nói chung, với Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia Việt Nam chiếm đa số tăng trưởng thập kỷ tới Đô thị hóa thu nhập tăng nhanh Đông Nam Á củng cố phát triển ngành sữa Sản lượng sữa xác định tăng 20% đến năm 2025 Nhờ phát triển 47%, Ấn Độ trở thành nhà sản xuất sữa lớn giới vào năm 2020 Châu Mỹ: tăng trưởng nhanh hướng xuất Bắc Mỹ, Mỹ La tinh vùng Caribê chiếm ưu sản xuất hạt có dầu, với tỷ lệ gần 90% toàn cầu có tỷ lệ sản xuất đáng kể khoảng 30% loại ngũ cốc, thịt sữa Ngũ cốc tập trung nhiều Bắc Mỹ, đặc biệt ngô, miền Nam tập trung vào hạt có dầu đặc biệt đậu nành Sản lượng trồng Bắc Mỹ tăng 10%, dẫn đầu ngô đậu tương Sản xuất gạo Hoa Kỳ trình phục hồi; lúa mì trồng quan trọng, diện tích tiếp tục giảm suất tăng không nhiều Mỹ Latinh nguồn mở rộng diện tích nông nghiệp quan trọng giới, với tổng diện tích trồng tăng 24% đậu nành động tực tăng Brazil trở thành nhà sản xuất đậu nành quan trọng vào năm 2025, với sản lượng đạt 135 Cây mía tiếp tục nguồn phát triển cho nông nghiệp Brazil thông qua tăng sản lượng diện tích Triển vọng cho nuôi trồng thủy sản đặc biệt tốt với tăng trưởng dự kiến 40% đến năm 2025 Hoa Kỳ Brazil hai nước sản xuất ethanol lớn Tuy nhiên, tăng trưởng họ dự kiến khác nhau, Brazil dự kiến tăng sản lượng thêm 25% suốt giai đoạn dự chủ yếu nhu cầu nước, sản xuất Hoa Kỳ dự kiến giảm nhu cầu nước quốc tế yếu Hạ Sahara Châu Phi: tiềm lớn, hạn chế nghiêm trọng Do tăng trưởng sản xuất khứ củng cố việc mở rộng diện tích, nên 10 năm tới, tăng trưởng khu vực chậm, phần tăng trưởng cải thiện suất tăng lên Nhìn chung, tổng sản lượng nông nghiệp dự kiến tăng 2,6% năm thập kỷ tới Đông Âu Trung Á: nhân tố toàn cầu ngũ cốc Đông Âu Trung Á trải qua phát triển nhanh chóng sản lượng nông nghiệp thập kỷ trước, với sản lượng trồng tăng 42% Khu vực sản xuất 10% lượng ngũ cốc toàn cầu năm 2013-15, chủ yếu lúa mì Tuy nhiên, điều kiện thời tiết thay đổi khu vực bất ổn sản xuất theo sau gây không chắn vào thị trường ngũ cốc toàn cầu Trong giai đoạn dự báo, tổng sản lượng nông nghiệp tăng 13% Các điều kiện tự nhiên thuận lợi cho việc tập trung vào loại ngũ cốc, hạt hướng dương Sự mở rộng diện tích nhanh chóng thập kỷ qua không trì Tương tự ngành trồng trọt, ngành chăn nuôi tiếp tục mở rộng thời gian tới, mức giá thấp nhiều Tổng sản lượng thịt tăng tấn, gia cầm chiếm khoảng nửa Sản lượng sữa cải thiện hỗ trợ cho chế biến sữa phát triển Tây Âu: cấu trúc sản xuất ổn định Hiện nay, nước công nghiệp phát triển Tây Âu giữ phần đáng kể sản xuất sữa toàn cầu (36%), nhiên liệu sinh học (30%), thịt (15%) ngũ cốc (13%) Sau nhiều năm phát triển mạnh mẽ để đáp ứng với giá cao, sản xuất trồng dự kiến chậm lại nhu cầu nhiên liệu sinh học ổn định phẳng giảm, nhu cầu thực phẩm thức ăn chăn nuôi nước cạnh tranh khốc liệt thị trường giới loại ngũ cốc, đặc biệt từ Đông Âu Trung Á Tổng diện tích thu hoạch giảm 3% vào năm 2025 Năng suất cao giới hầu hết loại trồng có cải thiện (trung bình 4%) Đến năm 2025, sản xuất Tây Âu dự kiến tiếp tục tập trung vào loại ngũ cốc Sản xuất thịt dự kiến tăng nhanh gấp đôi mức tăng loại trồng, dẫn đến tăng thêm 1,7 thịt năm 2025, chủ yếu gia cầm thịt lợn Sự tăng cường tái cấu ngành sữa EU mở rộng sản xuất sữa nói chung Bắc Phi Trung Đông: điều kiện khó khăn Điều kiện tự nhiên không thuận lợi tình hình trị bất ổn nhiều nước Bắc Phi Trung Đông cản trở sản xuất nông nghiệp Do thiếu nguồn nước hay thủy lợi nên sản xuất nông nghiệp khu vực chiếm phần nhỏ toàn cầu Lúa mì trồng chủ yếu, chiếm gần 60% diện tích canh tác Sản xuất có đường phát triển khu vực Các xu hướng tích cực dự kiến gạo, rễ củ chúng sản phẩm thứ yếu Thịt cá không trì tốc độ tăng trưởng thập kỷ trước sản xuất tăng khoảng 1% năm, dựa nhiều vào gia cầm cừu Sữa không thay đổi với đầu vào thấp suất thấp, sử dụng bò, lạc đà dê Hầu hết sữa tiêu thụ dạng sản phẩm sữa tươi, sản xuất mát, bơ sữa bột hạn chế Châu Đại Dương: nhà sản xuất thành công tách biệt Điểm bật Châu Đại Dương nông nghiệp toàn cầu kết sản xuất thực tế, mà dựa sản lượng đầu người cao tạo lượng dư thừa cho xuất Ngay với sản phẩm sữa xuất khẩu, sản lượng chiếm chiếm 9% toàn cầu; chí thịt (2%) ngũ cốc (2%), sản phẩm xuất quan trọng khác khu vực Châu Đại Dương dự kiến phục hồi từ giai đoạn suy giảm sản xuất, tăng trưởng sản lượng 11% giai đoạn tới Sự gia tăng phần lớn từ mía loại ngũ cốc chủ yếu dựa vào cải thiện suất Do nhu cầu nhập thịt toàn cầu tăng chậm lại, ngành chăn nuôi Châu Đại Dương chậm lại Sản xuất sữa tiếp tục thúc đẩy cách mở rộng đàn bò sữa, suất tăng chậm hệ thống sản xuất chủ yếu dựa vào đồng cỏ Khai thác thủy sản tiếp tục chiếm ưu châu Đại Dương, với tỷ lệ 83% tổng sản lượng thủy sản năm 2025 1.3 Thƣơng mại Thương mại nông nghiệp tăng với tốc độ chậm so với trước Cùng với nguồn cung nhu cầu toàn cầu, thương mại dự kiến phát triển chậm lại 10 tới so với thập kỷ trước Sự suy giảm đặc biệt nghiêm trọng ngũ cốc sản phẩm từ sữa, loại thịt (trừ thịt cừu) cá Trong số sản phẩm phi thực phẩm, thương mại ethanol diesel sinh học dự kiến thu hẹp, thương mại dự kiến phục hồi sau đợt giảm mạnh từ năm 2005-2008 Lý suy giảm mức tăng trưởng thấp kinh tế nổi, có độ co giãn thu nhập tương đối cao nhu cầu hầu hết mặt hàng thực phẩm Tầm quan trọng Trung Quốc nhà nhập số mặt hàng có nghĩa suy giảm phát triển Trung Quốc có tác động đặc biệt quan trọng Một lý cho suy giảm việc áp dụng sách bảo hộ nhiều số nước nhập lớn Trong bảo vệ thương mại nông nghiệp giảm hầu OECD, số kinh tế (bao gồm Trung Quốc, Ấn Độ Indonesia) theo đuổi mục tiêu tự cung tự cấp bảo hộ nhập liên quan Ở mức độ định, xu hướng gia tăng bảo hộ bù đắp hiệp định thương mại khu vực đa phương mới, thỏa thuận chuyển hướng thương mại khỏi nước thành viên Sự suy giảm thương mại không gây thay đổi lớn tỷ lệ sản phẩm nông nghiệp giao dịch Xếp hạng mặt hàng dự kiến không thay đổi đáng kể thập kỷ tới Sữa bột nguyên kem (WMP) sữa bột tách kem (SMP) mặt hàng nông sản giao dịch nhiều sản phẩm sữa tươi tiếp tục giao dịch Thương mại thấp sản phẩm sữa tươi, với không đến 1% sản lượng, trực tiếp liên quan đến khó khăn việc vận chuyển bảo quản sản phẩm tươi Dầu thực vật đậu tương giao dịch nhiều, với 40% sản lượng giao dịch thị trường quốc tế Khoảng 31% tổng sản lượng thủy sản dự kiến giao dịch năm 2025 Trong số loại thịt, thịt bò thịt gia cầm giao dịch nhiều dự kiến chiếm 80% thịt bổ sung giao dịch năm 2025 so với giai đoạn sở Xuất nông sản tới tập trung vào vài nhà cung cấp Theo truyền thống, xuất nông sản tập trung số quốc gia có tài nguyên thiên nhiên cần thiết cho sản xuất có sở hạ tầng đầy đủ để sản xuất xuất với giá cạnh tranh Trong thập kỷ tới, tập trung còn, có số thay đổi mặt hàng cụ thể Vào năm 2025, 70% tổng kim ngạch xuất có nguồn gốc từ nước cho mặt hàng Mật độ tập trung xuất cao năm 2025 dự kiến thương mại đậu tương, nơi nước xuất hàng đầu chiếm gần 95% tổng kim ngạch xuất Đối với hầu hết sản phẩm, tổng kim ngạch nhà xuất lớn tương tự giai đoạn sở, với số giảm nhẹ (ví dụ lúa mì bông) số tăng (ví dụ mát, đường) Thành phần xếp hạng quốc gia xuất hàng đầu không thay đổi hầu hết hàng hóa từ đến năm 2025, với vài trường hợp ngoại lệ Hoa Kỳ nước xuất ngô chính, thị phần cho Brazil Ba nước xuất gạo giai đoạn sở - Ấn Độ, Thái Lan Việt Nam - chiếm 65% tổng kim ngạch xuất Đến năm 2025, Việt Nam Ấn Độ có hoán đổi vị trí, đưa Việt Nam trở thành nước xuất lớn nhất, thị phần xuất nước xuất hàng đầu 60% Đây kết xuất Campuchia Myanmar nhà xuất gạo lớn Brazil dự kiến thay Hoa Kỳ nhà xuất đậu nành Ấn Độ nước xuất thịt bò hàng đầu Một lý đằng sau thay đổi giá liên tục đồng tiền Brazil làm cho xuất cạnh tranh Nhập nông sản phân tán hơn, với Trung Quốc thị trường cho nhiều hàng hóa Với mức tăng trưởng tiêu thụ dự kiến tiến nhanh tăng trưởng sản xuất nhiều quốc gia, nhập tiếp tục phân tán nhiều quốc gia so với xuất Tuy nhiên, số mặt hàng, đáng ý đậu nành, rễ củ, tỷ lệ nhập tương đối lớn từ vài quốc gia Trung Quốc nước nhập lớn số mặt hàng, chiếm phần lớn thị trường đậu nành loại hạt có dầu khác, rễ củ, ngũ cốc thô khác, sữa bột Sự tập trung cao nhập hạt có dầu liên quan chặt chẽ với quy mô lớn chế biến mặt hàng vài quốc gia Nhập đậu tương Trung Quốc dự kiến chiếm 65% nhập giới vào năm 2025, tăng 105 so với năm sở Nhu cầu lớn nhập đến từ Trung Quốc vào năm 2025, Bangladesh dự báo bám sát, máy móc, phương tiện nông nghiệp lớn phức tạp có khả tích hợp công nghệ canh tác xác Mặc dù số kỹ thuật nông nghiệp xác sử dụng trang trại quy mô nhỏ dựa sức lao động người thay lao động khí, công nghệ nông nghiệp xác tiên tiến lại dựa tính tự động mức độ cao, không tính ứng dụng mà định Nền nông nghiệp xác bổ sung đáng kể vào chi phí tại, đến năm 2040 gia tăng sản lượng với công nghệ bổ sung chưa thể bù đắp cho chi phí bổ sung Đối với công nghệ nông nghiệp xác nhân rộng tương lai theo cách thức tác động đáng kể sản lượng lương thực toàn cầu tiêu thụ tài nguyên, hướng dẫn hay hệ thống ứng dụng tự động hóa lên phương tiện máy móc nông nghiệp phải giảm kích thước chi phí để hoạt động mảnh đất nhỏ nước phát triển vốn xem nơi tăng suất tiềm lớn Tổng quan công nghệ nông nghiệp xác sau minh họa lộ trình phát triển mà nông nghiệp giới hóa trải qua trình chuyển đổi mạnh mẽ áp dụng phù hợp với địa điểm 2.6.1 Các thành phần bản: Lập đồ quản lý Xét nhiều khía cạnh, thiết bị thu nhận định vị vệ tinh công nghệ tảng nông nghiệp xác ứng dụng rộng rãi tất công nghệ nông nghiệp xác Thiết bị thu thường sử dụng tín hiệu từ chùm vệ tinh Hệ thống định vị toàn cầu Hoa Kỳ (GPS), với điều chỉnh tín hiệu từ máy phát mặt đất cố định để cung cấp thông tin vị trí xác - yếu tố đóng vai trò quan trọng cho ứng dụng nông nghiệp xác Một ứng dụng phổ biến đầu thu GPS nông nghiệp xác tạo đồ đất tọa độ địa lý Nông dân sử dụng đầu thu GPS cầm tay để đánh dấu xác vị trí mẫu đất, sau đối chiếu mẫu đất tọa độ GPS sở liệu hệ thống thông tin địa lý (GIS) Có công nghệ kỹ thuật khác để xác định tính chất đất, bao gồm xét nghiệm mẫu, đầu dò đo độ dẫn điện đất (để xác định hàm lượng nước), đồng hồ đo độ pH cầm tay (nhiều số tích hợp hay kết nối với đầu thu GPS để tạo liệu tọa độ địa lý, mà không đòi hỏi việc phải nhập riêng liệu này) Nhiều cảm biến gắn phương tiện lại để giúp việc đo đạc thực nhanh vị trí cánh đồng rộng lớn Cảm biến từ xa đo liên tục số chất lượng đất truyền số liệu sở liệu trung tâm 34 GPS GIS sử dụng để đo lường xếp số thể sức khỏe tình trạng trồng Chẳng hạn thao tác lấy mẫu đất, loạt cảm biến phương pháp sử dụng để thực đo lường tọa độ địa lý Ví dụ, cảm biến cầm tay cảm biến gắn xe có sẵn đo hàm lượng chất diệp lục cách đo lượng ánh sáng phản chiếu Hàm lượng diệp lục thấp cho thấy thiếu hụt dinh dưỡng, bệnh hại trồng vấn đề khác Bên cạnh có loại cảm biến tương tự thiết kế để đo lường số sức khỏe khác nhiệt độ trồng (thể thiếu hụt nước), hàm lượng đường (giúp xác định độ chín quả), phá hoại côn trùng Nông dân sử dụng số liệu quan trắc địa lý để hỗ trợ hoạt động quản lý nông trại theo vùng, từ đó, thay đổi ứng dụng đầu vào trồng (giống, phân bón, thuốc trừ sâu) dựa vào yếu tố sức sống trồng độ màu mỡ đất Kỹ thuật phổ biến giúp kiểm soát đầu vào theo vùng chia nông trại thành khu quản lý, sau tính toán phân bố tối ưu đầu vào khu Phương pháp phân khu phổ biến tương đối dễ sử dụng với hệ thống ứng dụng không xác, phân tán đồng lượng đầu vào mô hình rộng Tính toán đầu vào cần thiết thường xem nhiệm vụ phần mềm chuyên dụng, đòi hỏi chi phí giấy phép đắt tiền Tuy nhiên, lượng đầu vào tính toán thủ công cách sử dụng công thức trường hợp người nông dân nắm bắt kiến thức cần thiết Vấn đề diễn chủ yếu với nông nghiệp xác xác định mức độ đầu vào thích hợp với điều kiện nông trại khác Các công thức khuyến cáo thường dựa giá trị nghiên cứu khoa học trồng nhiều thập niên Tuy nhiên, chúng thường sử dụng để quản lý "toàn khu vực nông trại" thông thường sở khu vực, không thiết phải phù hợp với kỹ thuật quản lý quy mô nhỏ nhiều canh tác xác Các nhà nghiên cứu phát triển thuật toán, thiết kế riêng để áp dụng canh tác xác tùy chỉnh với điều kiện khu vực nông trại riêng không phân biệt khu vực Không giống nhiều công nghệ nông nghiệp xác, việc lập đồ đầu vào tọa độ không gian địa lý tương đối đơn giản để thích ứng để hoạt động hệ thống nông trại quy mô nhỏ phổ biến nước phát triển Do tính trung tâm canh tác xác giới hóa phi giới hóa, công nghệp lập đồ công nghệ đề xuất có khả trở thành thành tố canh tác xác quan trọng 35 2.6.2 Các hệ thống tích hợp đầu tiên: theo dõi suất Theo dõi suất, giải pháp canh tác xác tích hợp xuất hiện, áp dụng máy gặt-đập liên hợp năm 1990 loại phổ biến hệ thống canh tác xác tích hợp Máy theo dõi suất điển hình sử dụng cảm biến tác động để đo lượng ngũ cốc xử lý vào thùng chứa hạt máy gặt đập Cảm biến riêng biệt đo độ ẩm hạt để giúp hiệu chỉnh biến đổi độ ẩm gây hạt, qua đó, nâng cao độ tin cậy phép đo dòng hạt Máy theo dõi suất cho phép nông dân theo dõi sản lượng có độ xác so với phương pháp cũ (như cân hạt bán) Các liệu suất xác giúp nông dân kiểm soát việc quản lý, điều hành nông trại, chẳng hạn đàm phán cho thuê trồng Nông dân sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm máy theo dõi suất để thu thập thông tin điều kiện trồng, đưa chiến lược trồng trọt thực hành xử lý xây trồng Theo dõi suất trở thành công cụ mạnh mẽ, hiệu nhiều kết hợp với thông tin định vị vệ tinh phần mềm lập đồ Máy gặt đập liên hợp trang bị thiết bị giám sát suất hệ thống GPS tương quan đo lường suất tức thời với địa điểm xác khu vực nông trại Sau phần mềm chuyên dụng sử dụng liệu liên quan để tạo đồ suất, cho người nông dân khu vực cánh đồng có mức suất đặc biệt cao hay thấp Bản đồ suất giúp nông dân khắc phục loạt vấn đề nông trại mà không họ gặp khó khăn lớn việc sử dụng kỹ thuật khác lập đồ đất tọa độ địa lý Ví dụ, khu vực có suất thấp cánh đồng trồng ngũ cốc lại có độ ẩm cao bất thường có vấn đề thoát nước Theo dõi suất giúp nông dân theo dõi kết thử nghiệm với chiến lược trồng khác kỹ thuật quản lý để xác định thứ hoạt động tốt cho khu vực cụ thể cánh đồng 2.6.3 Các công nghệ nổi: Canh tác thay đổi theo vùng dẫn tự động Một phát triển quan trọng hệ thống nông nghiệp xác tích hợp trước thập kỷ vừa qua đời hệ thống ứng dụng (cấp) thay đổi theo vùng đất (variable-rate application) dùng cho phân bón, hạt giống, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ Những hệ thống thay hệ thống ứng dụng cố định thông thường phương tiện nông trại hay phương tiện chuyên dụng Các hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng cho phép người nông dân cung cấp xác liều lượng đầu vào trồng nơi cần thiết Hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng loại có người điều khiển, có nghĩa người nông dân phải điều chỉnh thủ công đầu hệ thống hệ 36 thống định vị xe cho biết xe vào vùng Hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng liên kết trực tiếp với hệ thống GPS/GIS xe điều chỉnh tỷ lệ phân tán đầu vào dựa liệu đồ Các hệ thống tiên tiến sử dụng công nghệ cảm biến công nghệ cấp, cụm cảm biến gắn xe hay thiết bị đo số tình trạng trồng hướng đầu phun hay thiết bị cấp thay đổi để cung cấp lượng đầu vào thích hợp để xử lý vấn đề Ví dụ, thiết bị phun thuốc diệt cỏ trang bị công nghệ on-the-go (xử lý di động) xác định cỏ dại cách sử dụng cảm biến quang cung cấp đủ thuốc diệt cỏ giúp tiêu diệt cỏ dại cách sử dụng đầu phun khớp nối Hệ thống cảm biến ứng dụng on-the-go tận dụng liệu từ sở liệu đồ để nâng cao độ xác mức đáp ứng, đầu vào cảm biến cung cấp thông tin quý giá để cập nhật sở liệu, hỗ trợ định tương lai Nông dân thường xuyên ghép hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng với hệ thống hướng dẫn giúp giữ cho máy kéo thiết bị hoạt động xác cánh đồng, giúp giảm khối lượng công việc nông dân, cải thiện tính xác thay đổi ứng dụng theo vùng Ngay trường hợp hệ thống ứng dụng thay đổi theo vùng, người nông dân khai thác lợi ích hệ thống hướng dẫn việc định vị cánh đồng xác định điểm giao vùng Hệ thống hướng dẫn bổ sung hình hiển thị đồ định vị với cột ánh sáng thị hỗ trợ nông dân xe đường xác định trước cách xác Các hệ thống tiên tiến ngày kết hợp hướng dẫn hoạt động, bao gồm lái máy kéo tự động hệ thống hướng dẫn lái tách riêng cho thực Hệ thống lái tự động giữ máy kéo đường thẳng xác qua cánh đồng, người nông dân cần chuyển hướng máy kéo để bắt đầu qua cánh đồng khác Các hệ thống tốt lái chuyển hướng máy kéo đạt mức độ xác cao, kiểm soát phương tiện hoạt động cho hàng chục hàng trồng theo mẫu hình lặp lại với dung sai +/- inch chí cánh đồng không phẳng hay dốc 2.6.4 Công nghệ tương lai: Robot nông trại cánh đồng thông minh Các xu hướng tương lai canh tác xác nhằm tăng tính tự động hóa phương tiện nông trại điều khiển thiết bị Một số nhà sản xuất giới thiệu hệ thống hướng dẫn cho phép máy kéo tự lái, thực số nhiệm vụ hạn chế theo sau máy gặt đập liên hợp, kéo thêm toa xe thu hạt, tự lái toa xe đến điểm cài đặt sẵn để đổ hạt, sau trở vị trí máy gặt đập để thu hạt Trong 5-10 năm tới, máy kéo tự hành tham gia vào loạt vai trò trang trại quy mô lớn Hiệu thu từ việc sử dụng rộng rãi hướng dẫn tự động công nghệ ứng dụng cảm biến on-the-go có 37 thể giúp công việc canh tác tự động trở nên có lợi canh tác thông thường, thúc đẩy tăng đầu tư vào công nghệ canh tác tự động Quan trọng hơn, lợi ích canh tác tự động xác định, chuyên gia hy vọng xu hướng dựa hiệu hướng tới phương tiện nông trại lớn tự đảo ngược Nhiều chuyên gia hy vọng quan tâm hiệu thay cho ý thích triển khai đàn lớn thay đàn nhỏ, robot hoá chuyên canh làm việc phần nhỏ cánh đồng vào lúc, 24 ngày Mỗi xe trang bị đầy đủ cảm biến phần mềm (hoặc thông qua hệ thống điều khiển xe liệu liên kết hệ thống từ xa) cho phép quản lý vùng canh tác cách tối ưu Cùng với mạng lưới cảm biến phân tán theo dõi điều kiện đất trồng phần mềm tích hợp thu thập liệu lệnh-và-kiểm soát, "các cánh đồng thông minh" tương lai tự canh tác Trong số yếu tố khác, quy mô kinh tế kết phổ biến cánh đồng thông minh nước phát triển giúp thực canh tác xác giới hóa khả thi bối cảnh nông nghiệp đô thị, nông nghiệp tiểu chủ, làm tăng đáng kể lượng đất canh tác cường độ cao, suất cao tương lai Lộ trình từ máy kéo tự động đến robot nông trại đường phẳng Các chuyên gia lưu ý phương triện trang trại tự động làm dấy lên mối quan tâm tính an toàn an ninh Mặc dù máy móc nông trại tự động hoạt động an toàn nhiều so với máy móc điều khiển người, tai nạn xảy Tùy thuộc vào thẩm quyền, tòa án dễ dàng áp dụng luật trách nhiệm sản phẩm cho trường hợp tương lai máy nông nghiệp tự động làm bị thương làm chết người nhầm vào đường phương tiện Nhưng cố vậy, hay đặc biệt loạt cố vậy, ảnh hưởng đến chấp công nghệ công chúng Một mối quan ngại liên quan đến việc kiểm soát xe trang trại tự động sử dụng chúng để tàn phá Máy kéo tự động kích thước xe ủi đất lớn, chí thiết bị (có thể lớn đường cao tốc bốn xe) vũ khí khủng bố Robot trang trại nhỏ "mang tính vũ khí" hơn, làm dấy lên quan ngại Có số chiến lược tiềm cho nhà sản xuất để đảm bảo robot trang trại không bị sử dụng sai, chưa rõ chúng có hiệu việc ngăn chặn công hay không Tất nhiên, có nhiều lợi ích từ canh tác xác không đòi hỏi robot nông trại hay cánh đồng thông minh; người lao động thực phương pháp ứng dụng thay đổi theo vùng tay cách sử dụng cảm biến cầm tay đồ 38 GPS Nhưng canh tác xác rộng so với cảm biến ứng dụng; công việc đầy thử thách tri thức Phần mềm chuyên dụng cho xử lý liệu hỗ trợ định tự động hóa nhiều công việc tri thức giúp nông nghiệp xác dễ thực hành cá nhân Tuy nhiên, việc sử dụng phần mềm thường đòi hỏi mức tri thức cao Các xu hướng giảm kích thước xe trang trại chấm dứt việc giúp chuyển nhiều khía cạnh lập kế hoạch định nông nghiệp xác để người nông dân thoát khỏi vòng luẩn quẩn Lao động nông nghiệp công việc khó khăn đòi hỏi nhiều thứ, hóa chất sử dụng trang trại có hại cho người Tương lai trang trại thông minh quản lý robot không thiết phải điều ao ước, chi phí cao hệ thống cánh đồng thông minh robot đảm bảo phần lớn nước phát triển sử dụng cánh đồng người robot quản lý 2.7 Công nghệ nhiên liệu sinh học Việc sử dụng nhiên liệu sinh học vận tải, chủ yếu ethanol dầu diesel sinh học, phát triển nhanh chóng toàn giới Nhưng theo số chuyên gia, nhiên liệu sinh học ngày có nhiều nhược điểm: có lợi cho môi trường, tiêu thụ lương thực, giá thành đắt Sản lượng ethanol từ ngô Mỹ đạt 13 tỷ gallon năm 2010, tiêu thụ tới 30% ngô Mỹ hàng tỷ đô la trợ cấp phủ liên bang cung cấp 9% nhu cầu xăng dầu Mỹ Các công nghệ hệ giúp chuyển đổi sinh khối (không phải lương thực) thành nhiên liệu sinh học tiên tiến hóa chất hứa hẹn bền vững có chi phí thấp Những công nghệ lên quan trọng an ninh cung cấp lương thực giới giúp giảm phụ thuộc củ giới vào nhiên liệu xăng dầu Phần cung cấp nhìn tổng thể công nghệ vấn đề thị trường ảnh hưởng đến thành công nhiên liệu sinh học tiên tiến vài thập kỷ tới Một động lực lớn nhiên liệu sinh học tiên tiến sách phủ Hoa Kỳ Liên minh châu Âu có nhiệm vụ nhiên liệu sinh học tích cực thích hợp bao gồm tiêu chuẩn bền vững Tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo Hoa Kỳ (RFS) yêu cầu 36 tỷ gallon nhiên liệu sinh học vào năm 2022 với lượng nhiên liệu sinh học tiên tiến ngày tăng để giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính xuống đường sở nhiên liệu hóa thạch 2005 Một loạt công nghệ nhiên liệu sinh học tiên tiến phát triển đáp ứng yêu cầu, chi phí cao công nghệ chưa chứng minh quy mô thương mại Để dạt mục tiêu RFS đòi hỏi hỗ trợ 39 phủ lâu dài, bao gồm tài trợ nghiên cứu phát triển, tín dụng thuế, cho vay đảm bảo hỗ trợ việc xây dựng nhà máy quy mô thương mại Tính khả thi nhiên liệu sinh học tiên tiến phụ thuộc vào giá tương đối để cạnh tranh làm với nhiên liệu giao thông Nhiên liệu sinh học đối mặt với cạnh tranh đáng kể từ xăng nhiên liệu diesel từ dầu mỏ, cung cấp rộng rãi cho người tiêu dùng thông qua hệ thống phân phối bán lẻ phát triển cao hầu hết quốc gia Giá dầu thô cao làm tăng sức cạnh tranh chi phí nhiên liệu sinh học tái tạo Các xe hiệu suất cao, bao gồm hybrid xe điện túy loại xe pin nhiên liệu chạy hydro, giúp giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch phát thải carbon cạnh tranh với nhiên liệu sinh học tiên tiến 2.7.1 Ethanol xenlulô Ethanol xenlulô nhiên liệu sinh học tiên tiến gần với yêu cầu Nhiên liệu sinh học hệ thứ hai lấy từ nhiều loại nguyên liệu sinh khối lignoxenlulôse bao gồm chất thải nông nghiệp lâm nghiệp (như thân ngô, rơm rạ, rơm lúa mì, bã mía), lượng không làm thực phẩm (cỏ cỏ, dương, miscanthus), chất thải rắn đô thị Sinh khối lignoxenlulô gồm phức hợp xenlulô, hemixenlulô, lignin polyme, loại khó phá vỡ nhiều so với hạt ngô Hiện trạng Các công nghệ biến đổi sinh khối - sinh hóa nhiệt hóa - có nhiều thập kỷ, nhà nghiên cứu đạt tiến đáng kể việc giảm chi phí mười năm qua Các trình sinh hóa (dựa đường) sử dụng axit thủy phân enzym lignoxenlulô để tạo loại đường glucose xylose, sau lên men thành ethanol xenlulô Các trình nhiệt hóa sử dụng khí hóa để chuyển đổi nguyên liệu thành khí tổng hợp, sau lên men xúc tác chuyển đổi khí tổng hợp thànht ethanol xenlulô sản phẩm có giá trị khác Từ năm 2004, nhiều loại nhà máy ethanol xenlulô khác hoạt động giới, nhà phát triển chưa tìm phương pháp tiếp cận nguyên liệu thành công quy mô thương mại Nghiên cứu phát triển lớn tập trung nâng cao hiệu trình nhiều bước Đối với trình sinh hóa, nhà nghiên cứu tìm cách cải thiện trình tiền xử lý để phá vỡ hemixenlulô thành đường lên men Hiện có phức hợp enzym cellulase phá vỡ thành tế bào thực vật chi phí khoảng mười lần so enzym để sản xuất ethanol từ ngô Các nhà nghiên cứu sửa chỉnh nấm men đặc biệt lên men loại đường khó chuyển hóa C5 C6 từ xenlulô để sản xuất ethanol Ngoài ra, nhà nghiên cứu phát vi khuẩn phá vỡ xenlulô lên men đường quy trình bước - loại bỏ bước tiền xử lý tốn Những đột phá tương lai kết 40 nỗ lực dẫn đến khả nhà sinh học phân tử thay đổi mã di truyền vi sinh vật để cải thiện hoạt động enzym chức khác Nhân giống trồng công nghệ sinh học mang đến nhiều lợi ích lớn cải thiện hiệu suất sinh khối, giảm không đồng chất lượng nguyên liệu, tăng hiệu suất nguyên liệu sinh khối quy trình biến đối cuối nguồn Các chuyên gia nghiên cứu công ty Agrivida (Hoa Kỳ) Syngenta International AG (Thụy Sỹ) đưa enzym phân hủy màng tế bào vào gen thực vật Các enzym hoạt động điều kiện xử lý nhiên liệu sinh học kích hoạt trình thủy phân polysaccharides thực vật từ sinh khối biến đổi gen, làm giảm đáng kể nhu cầu tiền xử lý enzym tốn Công ty Ceres (Hoa Kỳ) tiến hành phát triển loại hạt giống tính chpo trồng lượng sinh khối cao xác định hàng trăm gen mục tiêu cho tính sản lượng sinh khối cao, cấu trúc cây, chịu tác động môi trường, sử dụng hiệu nguồn ni-tơ đất, chống bệnh Các nhà nghiên cứu Trung tâm Khoa học lượng sinh học (Hoa Kỳ) tìm loại gen kiểm soát khả sản sinh ethanol vi sinh vật, cho phép nhà khoa học thay đổi gen làm sinh khối để sản xuất nhiều ethanol Viễn cảnh Các công ty sản xuất ethanol xenlulô cho biết họ sẵn sàng xây dựng chục sở quy mô thương mại cung cấp vài trăm triệu lít ethanol xenlulô năm tới Tuy nhiên việc cung cấp tài cho nhà máy đầy rủi ro rào cản lớn Chính phủ nghiên cứu khác cho thấy chi phí sản xuất ban đầu cao đáng kể so với chi phí để sản xuất ethanol từ ngô, giá ngô mức cao lịch sử Tuy nhiên, nhiều nước phát triển sớm có thể sản xuất ethanol xenlulô thành công Các sóng nhà máy thương mại tới cung cấp thông tin giá trị đặt móng cho ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học phát triển Các nhà phát triển nhiên liệu sinh học từ xenlulô thành công cần phải xây dựng chuỗi cung ứng khu vực mới, tất phận cần thiết kết hợp với cách hiệu - thu hồi sinh khối từ cánh đồng, rừng; tạo ra, lưu trữ cung cấp nguyên liệu sinh khối chất lượng cao cho nhà máy chế biến sinh học; chuyển đổi sinh khối thành sản phẩm lượng sinh học Một nghiên cứu Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge Bộ Năng lượng cho thấy Hoa Kỳ có thừa sinh khối lignoxenlulô từ rừng nguồn nông nghiệp - tỷ sinh khối khô - thay cho 30% xăng dầu tiêu thụ vào năm 2030 41 Nhiều nhà phát triển nhiên liệu sinh học xenlulô hợp tác với công ty công nghiệp lớn để giúp đẩy nhanh thương mại hóa công nghệ Các công ty dầu mỏ có mối quan hệ tự nhiên kinh doanh nhiên liệu sinh học, bao gồm thông tin làm để quản lý dự án thương mại có quy mô lớn sản phẩm thị trường nhiên liệu giao thông quy mô lớn Royal Dutch Shell nhà đầu tư dài hạn Iogen Corp, sản xuất ethanol xenlulô từ chất thải nông nghiệp nhà máy lớn Canada Shell có quan tâm đến công ty phát triển chất xúc tác sinh học Codexis California, tập trung vào nghiên cứu enzym mạnh chuyển đổi nhanh sinh khối thành nhiên liệu 2.7.2 Dầu diesel sinh học từ sinh khối Dầu diesel sinh học phát triển nhanh chóng toàn giới, đặc biệt châu Âu Hầu hết dầu diesel sinh học có nguồn gốc từ dầu thực vật hạt cải dầu, đậu nành, dầu cọ, dầu ăn qua sử dụng bị bỏ từ nhà hàng, chất béo động vật Dầu diesel sinh học thường pha trộn với nhiên liệu diesel thông thường mức nồng độ thấp dầu diesel sinh học tinh khiết có xu hướng đông đặc dạng gel nhiệt độ thấp Neste Oil Phần Lan sản xuất sản phẩm nâng cao (diesel tái tạo NExBTL) sử dụng để trộn mức nồng độ Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ diesel sinh học-xenlulo sử dụng nguyên liệu sinh khối không phụ thuộc vào lương thực Choren Industries GmbH, với hợp tác từ Shell đối tác khác, xây dựng quy trình biến sinh khối thành chất lỏng bao gồm trình khí hóa sinh khối nhiệt độ cao, trình xúc tác để tạo diesel sinh học tổng hợp, chất lượng cao Quy trình Carbo-V Choren chuyển đổi 50% nguyên liệu sinh khối gỗ, quy trình xử lý diesel sinh học thông thường chuyển đổi chưa đến 10% khối lượng khô Năm 2008, Choren chạy thử nhà máy thí điểm sinh khối thành chất lỏng lớn Freiberg, Đức nghiên cứu tính khả thi sở quy mô lớn 2.7.3 Butanol sinh học Butanol sinh học nhiên liệu sinh học chưa thương mại hóa Butanol sinh học trở nên tiếng rộng rãi năm 2006 BP DuPont công bố kế hoạch sản xuất thương mại cách áp dụng trình lên men Hầu hết butanol (sử dụng hóa chất) từ nguyên liệu hóa dầu Butanol có nhiều ưu điểm ethanol, gồm mật độ lượng cao pha với nước, cho phép pha trộn dễ dàng với xăng nhiên liệu khác Quy trình sản xuất butanol sinh học quy mô phòng thí nghiệm hay giai đoạn phát triển thí điểm ban đầu Tuy nhiên, liệu công bố sinh vật sản sinh butanol cho thấy suất tương đối thấp so với sản xuất ethanol thông qua lên men Công ty nhiên liệu sinh học BP-DuPont số công ty 42 khác nghiên cứu để phát triển thương mại hóa công nghệ butanol sinh học sử dụng chất xúc tác sinh học vi khuẩn độc quyền Ban đầu, nhà phát triển sử dụng loại trồng thực phẩm nông nghiệp làm ethanol ngô, lúa mì, củ cải đường, sắn mía Việc sử dụng nguồn nguyên liệu sinh khối lignoxenlulôse lên kế hoạch cho sau đòi hỏi phát triển công nghệ 2.7.4 Nhiên liệu sinh học drop-in Kể từ năm 2000, nhiều nhà phát triển nhà đầu tư nhiên liệu sinh học tiên tiến chuyển trọng tâm ý sang nhiên liệu sinh học drop-in hệ thứ có tiềm năng lượng cao so với ethanol hay butanol sinh học pha trộn với nhiên liệu dầu mỏ thông thường theo tỷ lệ cao mà không cần thay đổi hạ tầng nhiên liệu giao thông có Ngược lại, ethanol pha với xăng nhà máy lọc dầu vận chuyển đường ống dẫn Thay vào đó, ethanol thường vận chuyển đường sắt đường xe tải pha với xăng điểm phân phối gần người dùng cuối, làm tăng thêm chi phí gây sức ép lên hệ thống phân phối Các công nghệ drop-in bao gồm hydrocarbon tái tạo sản xuất từ tảo biển quy trình tiên tiến chuyển đổi đường thực vật thành hydrocarbon Tuy nhiên, công nghệ chưa hoàn thiện chi phí cao Nhiều nhà phát triển ban đầu hướng tới thị trường nhiên liệu, hóa chất có giá trị cao không nhắm tới thị trường nhiên liệu hàng hóa Nhiên liệu sinh học từ tảo Tảo nguồn giàu nhiên liệu sinh học trở thành chủ đề nghiên cứu mạnh mối quan tâm nhà đầu tư Các công nghệ dựa vào tảo mang lại lợi ích lớn suất cao, khả sử dụng đất cằn cỗi, không thích hợp để trồng trọt nguồn nước khác – nước ngọt, mặn nước thải, tiềm để tái chế khí carbon dioxide chất thải khác Hơn 50% tảo chứa dầu sinh học sử dụng để làm nhiên liệu sinh học drop-in thay diesel, xăng, nhiên liệu hàng không, sản phẩm đặc biệt Bộ Năng lượng Hoa Kỳ lực lượng đóng vai trò quan trọng phát triển dầu sinh học gốc tảo từ năm 1978 đến năm 1996 Công việc chấm dứt giá dầu thô thấp để nhiên liệu từ tảo cạnh tranh, Chương trình Loài thủy sản Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ cho thấy hiệu suất ấn tượng, với suất tảo quang hợp 10 khô/mẫu Anh hệ thống ao mở Lộ trình phát triển nhiên liệu sinh học từ tảo DOE xuất vào năm 2010 chương trình NC&PT giúp tính kinh tế nhiên liệu từ tảo trở nên cạnh tranh vòng 10 năm, khoảng thời gian lạc quan Những thách thức kỹ thuật chủ yếu từ sinh học tảo đến 43 canh tác đến sản xuất nâng cao quy mô trình tổng hợp Kỹ thuật sinh học tổng hợp giúp giảm chi phí nhiên liệu sinh học từ tảo cách thay đổi cách vi tảo sử dụng ánh sáng nâng cao hiệu sản xuất nhiên liệu chúng Tuy nhiên, việc nuôi trồng thu hoạch tảo có phần phức tạp Phương pháp tiếp cận công nghệ bao gồm việc trồng tảo quang hợp ao mở rộng, phát triển gen tảo môi trường phản ứng sinh quang kèm, nuôi cấy tảo biến đổi gen tiêu thụ đường bên thùng lên men tối Mỗi phương pháp có nhược điểm Ví dụ môi trường ao mở, chuỗi tảo dại từ môi trường chèn lấn chuỗi tảo có suất cao, tảo tăng trưởng cao phản ứng sinh học kín nóng Sản xuất tảo tiêu thụ nhiều lượng - công nghệ thường sản xuất nhiên liệu sinh học gián tiếp phát triển sinh khối tảo; sau thu hoạch, khử nước, chiết xuất dầu; sau chế biến dầu thành dầu diesel sinh học sản phẩm nhiên liệu khác Các nhà nghiên cứu cần phải hiểu rõ kiểm soát chi phí cao liên quan đến nước Tảo phát triển nước thải, mầm bệnh tiềm ẩn làm tảo công nghệ xử lý nước tốn Đối với tùy chọn ao mở, cần lượng lớn nước để bổ sung lượng nước bốc tránh chất ô nhiễm tập trung Một số nhà đầu tư bắt đầu đặt câu hỏi liệu nhiên liệu sinh học từ tảo có hiệu kinh tế Công ty phát triển công nghệ sinh học tảo Solazyme có trụ sở California thành công việc giảm chi phí sản xuất đáng kể cách nuôi trồng tảo bể lên men ánh sáng mặt trời cách cho chúng ăn đường - nguồn lượng tập trung cho phép tảo phát triển nhanh chóng Solazyme nhận đơn đặt hàng từ Hải quân Hoa Kỳ vào cuối năm 2010 cung cấp 150.000 gallon nhiên liệu sinh học gốc tảo Hydrocarbon tái tạo Công ty Hệ thống lượng Wisconsin phát triển công nghệ - Quy trình BioForming (hình thành sinh học) – để tạo hydrocarbon tái tạo từ nguyên liệu sinh học Quá trình chuyển đổi đường thực vật thành "xăng sinh học" (biogasoline) sử dụng chất xúc tác thay đổi hóa chất Virent tuyên bố hiệu suất biogasoline tương tự xăng dầu mỏ Công ty bắt đầu vận hành nhà máy vào năm 2010 sử dụng nguyên liệu nhiên liệu sinh học thông thường củ cải đường Virent chuyển đổi sinh khối xenlulô bao gồm thân ngô phế thải thông thành biogasoline Các nhà nghiên cứu phát triển vi sinh vật "thiết kế" kỹ thuật cao cách sử dụng công nghệ tảng sinh học tổng hợp để sản xuất nhiên liệu sinh học drop-in hydrocarbon tái tạo Những công nghệ giai đoạn thí nghiệm 44 2.7.5 Quang hợp nhân tạo Các nhà nghiên cứu giai đoạn đầu việc phát triển công nghệ hoàn toàn để tạo nhiên liệu lỏng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời, nước carbon dioxide - tương tự quang hợp thực vật Mặc dù giai đoạn sơ khai, công nghệ có tiềm lâu dài để thay việc sử dụng loại nhiên liệu sinh khối để dành đất nông nghiệp cho sản xuất thực phẩm Một báo cáo năm 2008 Ủy ban tham vấn khoa học lượng Bộ Năng lượng Hoa Kỳ xác định công nghệ sản xuất nhiên liệu từ ánh sáng mặt trời mục tiêu chiến lược quan trọng để giúp Hoa Kỳ khỏi phụ thuộc vào dầu mỏ hạn chế lượng khí thải carbon dioxide Mục đích cuối quang hợp nhân tạo để sản xuất lượng lớn nhiên liệu dễ dàng lưu trữ, vận chuyển sử dụng nhiên liệu giao thông dựa dầu mỏ 2.8 Công nghệ chế biến sau thu hoạch Năng suất ngành nông nghiệp phụ thuộc nhiều vào mức độ xảy sản phẩm thực phẩm sau thu hoạch Tổn thất sau thu hoạch sản phẩm ngũ cốc 10-20% loại rau hoa tươi 5-25% nước phát triển 20-50% nước phát triển Nguyên nhân tổn thất bao gồm hủy hoại vi sinh, tổn hại học thiết bị chế biến, phá hoại côn trùng, rau chín Công nghệ sau thu hoạch (PHT) bao gồm ba thành phần: • Sơ chế: Loại bỏ tạp chất sản phẩm non bị hư hỏng; ổn định sản phẩm cách sấy khô, làm lạnh khử trùng; cách ly sản phẩm thành loại khác • Chế biến thứ cấp: Biến đổi nguyên liệu thô từ sơ chế thành sản phẩm phù hợp để người tiêu dùng chế biến • Chế biến hoàn thiện: Biến sản phẩm chế biến thứ cấp thành sản phẩm ăn Hầu hết tổn thất sau thu hoạch xảy giai đoạn sơ chế; việc chế biến thứ cấp hoàn thiện tập trung vào dinh dưỡng an toàn sản phẩm thực phẩm Tất nghiên cứu công nghệ sau thu hoạch nhận khoảng 5% tổng số kinh phí nghiên cứu hướng vào nông nghiệp Các nỗ lực nghiên cứu nhằm giảm tổn thất sơ chế hạn chế, diễn chủ yếu nước phát triển, liên quan chủ yếu đến ăn rau Các công nghệ sau thu hoạch dường đột phá lớn vào năm 2040; nhiên công nghệ áp dụng nước phát triển ngày lan tỏa sang nước phát triển 45 2.8.1 Các công nghệ sơ chế Bảo quản kiểm soát khí Ngành công nghiệp canh tác nước phát triển sử dụng việc quản kiểm soát khí nhiều thập kỷ Nó bao gồm việc kiểm soát môi trường khí oxy, nitơ carbon dioxide nhiệt độ độ ẩm cho việc lưu trữ loại trái rau Khí kiểm soát cung cấp ổn định cho lưu trữ thời gian dài giữ chất lượng cách làm chậm tốc độ hô hấp loại trái rau Mỗi trái rau đòi hỏi thành phần không khí khác nhau, nồng độ điển hình 2-3% oxy, 3-10% carbon dioxide, lại nitơ Các kho lưu trữ giữ nhiệt độ gần độ C bảo quản từ đến sáu tháng Hầu hết nghiên cứu kiểm soát khí rau nhằm vào việc tìm kiếm điều kiện tối ưu cho việc lưu trữ loại rau, cụ thể Bảo quản kiểm soát khí thành công việc giảm tổn thất loại trái rau cách kéo dài thời gian cung cấp mở rộng thị trường địa lý Không có dấu hiệu cho thấy có đột phá công nghệ xảy trước năm 2040 NC&PT dường tiếp tục hoàn thiện điều kiện bảo quản cho loại rau, khác phổ biến công nghệ cho nước phát triển 2.8.2 Đóng gói không khí kiểm soát Bằng cách kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm thực phẩm dễ hư hỏng, đóng gói không khí thay đổi (MAP) góp phần giảm tổn thất sản phẩm nông nghiệp chuỗi phân phối Quá trình MAP thay đổi thành phần không khí bên sản phẩm đóng gói thịt, hải sản, loại trái rau Trong trường hợp sản phẩm thịt hải sản, thành phần chủ yếu carbon dioxide nitrogen, ức chế sinh trưởng vi khuẩn Một oxy (2-3%) cần giữ gói trái rau để tránh hô hấp kỵ khí Các màng mỏng bao bì polymer chìa khóa cho công nghệ Các sản phẩm thịt hải sản sử dụng màng mỏng để ngăn chặn trao đổi khí, loại trái rau cần trao đổi khí sử dụng màng thấm Sự phát triển loại màng mỏng bao gói cho phép thấm có chọn lọc loại khí sử dụng công nghệ MAP 15 năm qua cho phép kéo dài thêm thời hạn sử dụng Các công nghệ khử côn trùng Bộ Nông nghiệp Mỹ có chương trình nghiên cứu tìm kiếm giải pháp thay cho methyl bromide sử dụng rộng rãi, loại hóa chất loại bỏ quy định bảo vệ môi trường Kiểm soát khí đề xuất thay cho khử trùng methyl bromide, có độc tính cao, có khả gây đột biến chất gây ung thư, hủy hoại tầng ozone Ngũ cốc khử trùng cách thêm carbon dioxide tinh khiết khí đốt oxy cách sử dụng bảo quản 46 kín làm giảm hô hấp tự nhiên hạt Các nhà khoa học Bộ Nông nghiệp Mỹ thử nghiệm phương tiện khử trùng hóa học không dùng hóa chất cho hàng hóa giữ lâu (trái sấy khô loại hạt) mặt hàng dễ hỏng (trái tươi rau quả) Công nghệ chiếu xạ Chiếu chùm tia electron, tia gamma tia X để sản phẩm thu hoạch bất hoạt vi sinh vật gây bệnh có thực phẩm (Salmonella, E coli, Campylbacter, Listeria), giảm tổn thất sau thu hoạch côn trùng hư hỏng, kéo dài thời gian sử dụng thực phẩm mau hỏng Công nghệ thử nghiệm gần kỷ mà không cho thấy rủi ro sức khỏe người nhiên việc thương mại hóa hạn chế lo ngại công chúng tác động xạ lên sản phẩm thực phẩm Số lượng lớn nghiên cứu khoa học cho thấy tác động xấu đến tiêu chuẩn nước quốc tế thực phẩm chiếu xạ Tại Hoa Kỳ, FDA quy định chiếu xạ phụ gia thực phẩm nên an toàn phải xác nhận trước ứng dụng thương mại Theo FAO IAEA, 60 quốc gia có quy định cho phép sử dụng chiếu xạ cho sản phẩm Hầu hết ứng dụng có liên quan đến việc kiểm soát côn trùng gây hại đặc biệt cho sản phẩm thương mại quốc tế Với mức thương mại hóa quy định kiểm soát nay, chiếu xạ thay phương pháp diệt trùng khác vào năm 2040 sử dụng rộng rãi việc kéo dài thời hạn sử dụng số sản phẩm dễ hỏng Kiểm soát sinh học sau thu hoạch Sử dụng vi sinh vật cản trở vi sinh vật gây hư hỏng khác cho sản phẩm thực phẩm dễ hư hỏng phương thức kiểm soát sinh học sau thu hoạch đề xuất thay cho thuốc diệt nấm hóa học Mặc dù nghiên cứu kiểm soát sinh học sau thu hoạch diễn liên tục 20 năm qua, việc thương mại hóa hạn chế Các loại vi sinh vật Pseudomonas syringae phát triển để kiểm soát hư hỏng khoai tây khoai lang Metschnikowia fructicola cho khoai lang cà rốt Các chế phức tạp vi sinh vật kiểm soát sinh học bao gồm dinh dưỡng cạnh tranh không gian, ký sinh, mẫn cảm sức đề kháng sản phẩm thực phẩm, chất chuyển hóa dễ bay Do chưa có đủ hiểu biết tương tác phức tạp sản phẩm thực phẩm, vi sinh vật kiểm soát sinh học, vi sinh vật gây bệnh, nên công nghệ khó có khả có tác động vào năm 2040 47 KẾT LUẬN Thách thức nông nghiệp giới việc tìm kiếm phương tiện để tăng suất nông nghiệp - sản lượng cao với nguồn lực (đất, phân bón, nước, thuốc trừ sâu) - để đáp ứng nhu cầu dân số giới ngày tăng Công nghệ chắn công cụ để hoàn thành việc cải thiện suất nông nghiệp Mục tiêu việc áp dụng công nghệ tăng suất nông nghiệp, tiếp đến cải thiện dinh dưỡng sản phẩm nông nghiệp Các công nghệ có tác động lớn đến suất nông nghiệp 10 năm tới bao gồm việc sử dụng trồng biến đổi gen có, quản lý đất nước, kiểm soát dịch hại, chế biến sau thu hoạch Những ứng dụng sinh học phân tử vào vật nuôi trồng tiến công nghệ có khả ảnh hưởng lớn đến suất nông nghiệp vào năm 2040 Những tiến sinh học phân tử cung cấp phương tiện để tạo thay đổi cụ thể tương đối nhanh chóng thông qua biểu mạnh xóa gen đưa vào gen lạ Những tiến sinh học phân tử thực vật bổ sung cho di truyền thực vật cổ điển, sử dụng Cách mạng xanh, để cải thiện suất trồng Những phát triển xuất phát từ tiến sinh học phân tử động vật bổ sung cho công tác nhân giống thông thường để nâng cao suất chăn nuôi Những phát triển sinh học phân tử dẫn đến việc tạo giống động, thực vật hiệu cách kiểm tra toàn hệ gen tất sinh vật để tìm khả cải thiện trồng vật nuôi Việt Nam phấn đấu xây dựng nông nghiệp công nghệ cao, đảm bảo cho an ninh lương thực với phát triển kinh tế bền vững bảo vệ môi trường Các công nghệ với tác động mức độ khác nhau, định hướng cho hoạt động phát triển ngành nông nghiệp giới tác động đến nông nghiệp Việt Nam thập kỷ tới Trung tâm Phân tích thông tin Tài liệu tham khảo OECD-FAO AGRICULTURAL OUTLOOK 2016-2025 © OECD/FAO 2016 Global Food Security: Emerging Technologies to 2040 NICR 2012-30 2012 Precision agriculture and the future of farming in Europe Scientific Foresight Study Scientific Foresight Unit, EPRS 2016 48