Năm 2017, hiệp hội máy nông nghiệp châu Âu (European Agricultural Machinery) đã tổng kết các cuộc cách mạng nông nghiệp. Vào đầu thế kỷ XX, nông nghiệp 1.0 được vận hành chủ yếu sử dụng sức người với khoảng một phần ba dân số tham gia vào sản xuất nhưng năng suất thấp và không ổn định. Tiếp đó vào những năm 1950 với sự khởi đầu của nền nông nghiệp 2.0 hay còn gọi là cuộc cách mạng xanh trên cơ sở sử dụng các giống mới và áp dụng cơ giới hóa, sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu trong sản xuất nông nghiệp. Cuộc cách mạng này chịu sự ảnh hưởng bởi công trình và quan điểm của Norman Borlaug, người được trao giải Nobel Hòa bình vì những đóng góp quan trọng của ông đối với sản xuất nông nghiệp [1]. Với sự thay đổi này nền sản xuất nông nghiệp đã tạo ra bước tiến mới về cơ bản đáp ứng được nhu cầu lương thực, thực phẩm của con người. Đến những năm 1990, gần 40 năm sau cuộc cách mạng xanh, nông nghiệp 3.0 ra đời với chủ trương nâng cao hiệu quả sản xuất, tạo giá trị lợi nhuận và gia tăng, chủ động nâng cao sản lượng và chất lượng. Trong thời điểm này, công nghệ định vị toàn cầu (GPS) đã bắt đầu được triển khai kết hợp với công nghệ cảm biến và điều khiển từ xa (remote sensing) và sau đó các ứng dụng không dây dần dần được áp dụng [1-9]. Đến những năm gần đây, Đức là nước đầu tiên khởi phát cách mạng công nghiệp 4.0 từ đó các lĩnh vực khác cũng dần sử dụng khái niệm này để đặt ra mục tiêu hướng tới trong các bước phát triển để phù hợp với xu hướng và đòi hỏi tất yếu đổi mới công nghệ trong đó có nông nghiệp [10-12]. Khái niệm nông nghiệp 4.0 với đặc trưng là nền nông nghiệp ứng dụng kỹ thuật số và kết nối các thiết bị để điều khiển tự động trong quá trình sản xuất.

Tương tự với công nghiệp 4.0, nông nghiệp 4.0 ở Đức hay nói chung ở châu Âu được hiểu là các hoạt động trồng trọt và chăn nuôi sử dụng hệ thống điều khiển tự động thông qua việc kết nối mạng các thiết bị máy móc trực tiếp tại nơi sản xuất hoặc gián tiếp tại trung tâm điều khiển. Trong đó, toàn bộ quy trình sản xuất bao gồm các công đoạn canh tác trên cánh đồng hay chăn nuôi trong các trang trại, kiểm soát chất lượng và giao dịch với các đối tác đều được kiểm soát thông qua thông tin đã được số hóa [1,2, 8-10]. Nói cách khác, thông tin ở dạng số hóa được sử dụng cho tất cả các đối tác và các quá trình sản xuất, giao dịch với các nhà cung cấp và khách hàng được truyền dữ liệu, xử lý, phân tích dữ liệu phần lớn tự động qua mạng internet. Trên thực tế, một số thuật ngữ khác cũng được dùng và hiểu tương tự như “Nông nghiệp thông minh” hay “Canh tác số hóa”, dựa trên sự ra đời của các thiết bị chính xác, điều khiển tự động và kết nối internet. Các thiết bị này được gọi là thiết bị thông minh tích hợp cảm biến, bộ điều tiết tự động, công nghệ xử lý phân tích và hiển thị kỹ thuật số [1,3, 8-10]. Theo xu hướng và tiến trình, nông nghiệp 4.0 khởi đầu cho mức phát triển tiếp theo sử dụng các công nghệ trí thông minh nhân tạo hoạt động mà không cần có sự điều khiển trực tiếp của con người và dựa vào hệ thống thu thập số liệu và xử lý thông tin hiệu quả, các thiết bị có thể tự đưa ra quyết định một cách tự động.

Như vậy, để cấu thành nên nền nông nghiệp 4.0 cần có sự kết hợp của nhiều yếu tố tạo thành hệ thống bao gồm: (i) các hệ thống thiết bị máy móc được kỹ thuật số hóa, gắn cảm biến và kết nối internet với nhau, khái niệm này được viết một cách ngắn gọn là IoT (internet of things) hay (IoT sensors); (ii) công nghệ chiếu sáng thông minh sử dụng đèn LED đơn sắc ứng dụng trong các nhà lưới; (iii) đưa người máy hoặc thiết bị tự động robot thay thế cho các công việc mang tính lặp đi lặp lại hoặc các quy trình đã được chuẩn hóa; (iv) ứng dụng hệ thống tạo năng lượng tại chỗ bằng cách sử dụng các tấm pin quang điện; (v) các thiết bị viễn thám hoặc kiểm soát tự động như máy bay không người lái, vệ tinh để thu thập dữ liệu vùng hoặc của các khu vực sản xuất; (vi) hệ thống canh tác thông minh như nhà lưới điều khiển tự động, kết hợp các công nghệ giảm thiểu xả thải và phát thải, tích hợp các công nghệ vào một quy trình kép kín như thủy canh, khí canh; (vii) các dịch vụ cung cấp vật tư thiết bị cho sản xuất nông nghiệp như cung cấp internet, điện thoại di động, công nghệ điện toán đám mây, các phần mềm và hệ thống cơ sở dữ liệu số hóa, các dịch vụ tư vấn, vay vốn và hỗ trợ kỹ thuật; (viii) các quy định về tiêu chuẩn hóa, chính sách quản lý sản xuất, kiểm tra chất lượng sản phẩm, các dịch vụ đầu vào và đầu ra trong sản xuất nông nghiệp.

Thực trạng và định hướng phát triển nông nghiệp 4.0

Mặc dù là nước có nền công nghiệp và công nghệ được coi là bậc nhất trển thế giới, nền nông nghiệp của Đức hiện nay vẫn đang phải đối mặt với thách thức về kỹ thuật số hóa. Hiện nay, phần lớn các trang trại sản xuất nông nghiệp vẫn đang sử dụng các thiết bị máy móc tương tự (analog), tỉ lệ này chiếm tới 60-70% [2]. Do đó cần phải đầu tư rất lớn để thay thế các thiết bị này thành các thiết bị kỹ thuật số, khi đó mới có thể đồng bộ, đảm bảo kết nối mạng và điều khiển tự động. Ngoài ra, ở các vùng nông thôn, cơ sở hạ tầng viễn thông không phù hợp để phát triển và ứng dụng kỹ thuật số đồng thời tính bảo mật dữ liệu và bản quyền sử dụng dữ liệu cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Các vấn đề liên quan đến thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu ở quy mô lớn (big data analysis) cần được phát triển. Cuối cùng các thiết bị hoạt động động lập (standalone) và giải pháp xử lý độc lập cần phải giảm thiểu. Trên cơ sở phân tích này, các công nghệ bluetooth, beacon (đèn hiệu), hệ thống định vị (GPS) và công nghệ dùng kết nối sóng vô tuyến để tự động xác định và theo dõi các thẻ nhận dạng gắn vào vật thể (RFID), kết hợp với phần mềm, tiêu chuẩn hóa, số hóa và tăng khả năng tương tác giữa các thiết bị máy móc từng bước được nâng cấp, ứng dụng và sau đó mở rộng ra quy mô cả nước.

Mỹ được coi là quốc gia dẫn đầu về nền công nghiệp nông nghiệp với những vùng canh tác và chăn nuôi ở quy mô lớn. Việc ứng dụng máy móc thiết bị công nghiệp trong sản xuất nông nghiệp đã song hành cùng với các tiến bộ trong các cuộc cách mạng công nghiệp trên thế giới. Trong sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là nông nghiệp công nghệ cao, việc ứng dụng thành tựu nghiên cứu của công nghệ sinh học, công nghệ cơ khí chính xác, công nghệ thông tin, hệ thống điều khiển tự động, hệ thống quan trắc GPS, RFID và kiểm soát không người lái (drone) đã được ứng dụng rộng khắp. Đồng thời, các hệ thống chính sách, các quy định về chuẩn hóa mọi công đoạn trong quá trình sản xuất, phân phối đã được xây dựng và nhiều trong số đó đã được đưa vào luật.

Israel một quốc gia với khí hậu khô cằn nguồn nước rất hạn chế nhưng đã tạo được nhiều thành tựu trong nông nghiệp đặc biệt nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao. Tất cả các trang trại hay nhà lưới của Israel đều trang bị hệ thống điều khiển kỹ thuật số với cảm biến và điều khiển tự động. Đây cũng là điểm đặc trưng nhất và cũng là điểm mạnh của quốc gia này trong canh tác nông nghiệp. Các hệ thống tưới nước và dinh dưỡng nhỏ giọt, hệ thống quan trắc và cảm biến của Israel có chất lượng hàng đầu thế giới. Ngoài ra, vật tư trong nông nghiệp, mô hình nhà lưới thông minh điều khiển tự động được chuyển giao và lắp đặt ở hầu hết các nước trên thế giới.

Anh là nước dẫn đầu trong các cuộc cách mạng công nghiệp cũng đưa ra định hướng phát triển trong lĩnh vực nông nghiệp tầm nhìn 2030 với các nội dung quan trọng như sau: (i) cơ giới hóa, mở rộng và tăng cường quy mô sản xuất áp dụng nông nghiệp chính xác, đưa robot ứng dụng trong nông nghiệp để cải thiện mức độ chính xác và tăng hiệu quả; (ii) ứng dụng di truyền và hướng chọn giống hiện đại để cải thiện chất lượng, tăng tính bền vững, khả năng phục hồi, và tăng năng suất thực thu trong trồng trọt và chăn nuôi; (iii) phát triển hướng tiếp cận kết hợp các phương thức quản lý hiệu quả cỏ dại, sâu bệnh hại trong hệ thống các trang trại; (iv) ứng dụng công nghệ thông tin và công nghệ phân tích số liệu lớn để phát triển các hướng tiếp cận điều khiển dựa vào số liệu và hình ảnh thực để xác định khả năng và tình trạng của hệ thống canh tác và hệ sinh thái từ đó đưa ra chính sách hỗ trợ hiệu quả trong sản xuất và kinh doanh sản phẩm nông nghiệp; (v) mở rộng và tăng cường đào tạo, tập huấn phát triển nghề và phát triển các kênh giao tiếp kết nối nhà nghiên cứu, người học, và các nhà tư vấn để thúc đẩy các mục tiêu trong sản xuất nông nghiệp; (vi) kết hợp khoa học xã hội, kinh tế để thúc đẩy nông nghiệp phát triển nông nghiệp bền vững, an toàn và tạo sản phẩm chất lượng cao.

Đối với một số nước khu vực châu Á, chính phủ các nước đều đã nhận thức tầm quan trọng và xu hướng tất yếu trong chiến lược phát triển nông nghiệp của quốc gia. Nhiều nước đã xác định kế hoạch phát triển nông nghiệp 4.0 trong giai đoạn 2025-2030. Tuy vậy, thực trạng sản xuất nông nghiệp nhìn chung còn ở trình độ công nghệ thấp, mức độ cơ giới hóa và tự động hóa chỉ mới bắt đầu.

Ở Ấn Độ, nông nghiệp 4.0 vẫn còn ở một khoảng cách khá xa so với các nước châu Âu và Mỹ. Mặc dù trình độ công nghệ thông tin ở Ấn Độ khá mạnh nhưng mạng lưới internet vẫn chưa phủ kín, thông tin và dữ liệu về hạt giống, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật và các vật tư đầu vào chưa được kiểm soát. Bên cạnh đó, việc đầu tư các thiết bị cơ giới hóa, máy móc điều khiển kỹ thuật số gần như chưa được quan tâm.

Ở Trung Quốc, với quan điểm cho rằng tiến bộ của các lĩnh vực công nghiệp sẽ hỗ trợ tích cực cho phát triển nền nông nghiệp toàn diện, các nhà lãnh đạo Trung Quốc kỳ vọng phát triển nông nghiệp 4.0 vào thế kỷ XXI. Trên cơ sở đó, các nhà chính sách đã hoạch định tầm nhìn và định hướng tương lai nông thôn Trung Quốc sẽ phải kết nối đa ngành, nông dân mới chuyên nghiệp hơn thay thế nông dân nông hộ nhỏ làm việc bán thời gian hoặc nông dân nghèo đói. Hiện nay ở Trung Quốc, theo hướng nông nghiệp 4.0, nhiều ngành công nghiệp đang được đẩy mạnh như các ngành công nghiệp chế tạo máy kéo công suất cao, máy gặt đập thông minh; ứng dụng thiết bị bay không người lái; trồng cây trong nhà; công nghiệp phục vụ chăn nuôi thông minh 4.0.

Nằm trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan sẵn sàng tiếp nhận và định hướng phát triển nông nghiệp 4.0. Bộ Nông nghiệp và hợp tác xã Thái Lan cho rằng mọi điều kiện cần thiết đã sẵn sàng để có lực lượng lao động đủ tiêu chuẩn “nông dân thông minh/smart farmer”. Chính phủ Thái Lan đã có chính sách đối với nông nghiệp cùng đổi mới công nghệ định hướng nông nghiệp và thực phẩm của Thái theo nông nghiệp 4.0. Chương trình hành động cụ thể đưa ra cho phát triển từng vùng với các sản phẩm cụ thể cho từng giai đoạn. Để đạt được mục tiêu này, Thái Lan tập trung phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao thông qua hình thành các trung tâm đào tạo huấn luyện ở tất cả các tỉnh để tăng cường hiệu quả sản xuất nông nghiệp thông qua đổi mới công nghệ. Hơn nữa, Thái lan đã đưa ra “Bản đồ nông nghiệp” đê phân định ranh giới giữa các vùng nông nghiệp ở tất cả các tỉnh cho phép nông nghiệp đáp ứng cho từng cây trồng theo đất canh tác. Từng tổ chức thuộc Bộ nông nghiệp phải thống nhất trong chương trình đào tạo và hỗ trợ công nghiệp nông nghiệp.

Vượt xa các nước khác trong khu vực, Đài Loan đã định hướng là nơi cung ứng chuỗi thiết bị nông nghiệp [17]. Trong khu vực và thể giới, Đài Loan nổi tiếng về công nghệ chế tạo và có nhiều sản phẩm cơ điện trên đầu người hơn bất cứ nơi nào khác trên thế giới, trong đó nổi bật là công nghệ chế tạo các bộ cảm biến kết nối các thiết bị (IoT). Đài Loan được coi là nơi tập trung các thiết bị công nghệ IoT do có nhiều các nhà máy sản xuất bán dẫn (công viên Hsinchu sản xuất 25% sản lượng bán dẫn toàn thế giới). Với công nghệ sản xuất đèn LED hàng đầu thế giới, Đài Loan cung cấp đèn LED chất lược tốt nhất cho nông nghiệp trong nhà đảm bảo cây trồng sinh trưởng và cho năng suất tối ưu nhất. Ngoài ra, Đài Loan được coi là quốc gia đi đầu về công nghệ robot và nước này đặt mục tiêu trở thành quốc gia dẫn đầu về công nghệ robot trong 20 năm tới. Về công nghệ pin mặt trời, công nghệ sản xuất tế bào quang điện của Đài Loan dẫn đầu thế giới [6,17]. Đài Loan có thể cung ứng nguồn năng lượng cho các dự án lớn về nông nghiệp trên quy mô lớn. Tiếp đó, công nghệ sản xuất thiết bị bay không người lái là một trong những điểm nổi bật của nước này, tới 10% lượng thiết bị bay không người lái được chế tạo và sản xuất tại Đài Loan và mức tăng trưởng dự kiến hàng năm 10%. Cuối cùng công nghệ tích hợp nông nghiệp trong nhà, thủy sản kết hợp thủy canh với sự kết hợp hài hòa của các công nghệ và vật tư hỗ trợ đi kèm đã giúp cho Đài Loan là nước dẫn đầu trong khu vực châu Á về nông nghiệp công nghệ cao.

Các nước còn lại ở châu Á bao gồm Việt Nam vẫn còn ở vị trí rất xa để tiếp cận nền nông nghiệp 4.0. Nguyên nhân chính là thiếu hụt nguồn nhân lực chất lượng cao có khả năng hội nhập và nền tảng cơ sở hạ tầng tối thiểu để thiết lập hệ thống tự động hóa kết nối internet (IoT). Với nhiều nước ASEAN, nông nghiệp 4.0 đang trên đường tiến triển với vô vàn khó khăn. Dự kiến trong 15 năm tới, sẽ có nhiều doanh nghiệp đầu tư vào phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, canh tác thông minh. Để đạt được điều này cần có sự đầu tư mạnh và trọng điểm của chính phủ, các cơ sở hạ tầng, công nghiệp cơ khí chế tạo máy, công nghệ điều khiển, hệ thống mạng internet và công nghệ thông tin để kết nối. Nếu so sánh với các nước Mỹ, Châu Âu và một số nước trong khu vực, Việt Nam, Lào và Campuchia khó đề cập đến có được nền nông nghiệp thông minh hay nông nghiệp 4.0 trong 10 năm tới bởi vì mô hình nông nghiệp công nghệ cao phải đáp ứng các tiêu chí trong bốn lĩnh vực: công nghệ, kinh tế, xã hội và môi trường. Ở Việt Nam, các ứng dụng khoa học và công nghệ trong sản xuất nông nghiệp cần sự tham gia không chỉ của các tổ chức nghiên cứu khoa học và nhà nước mà còn sự tham gia của nông dân và doanh nghiệp. Mặc dù các dự án phát triển nông nghiệp công nghệ cao đến năm 2020 được chính phụ tạo điều kiện ưu đãi đặc biệt cho các hoạt động nghiên cứu và phát triển nhằm thúc đẩy nông nghiệp công nghệ cao bao gồm cả đào tạo nhân lực và hỗ trợ phát triển các doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao nhưng tỉ lệ thành công còn thấp.

Nguồn: www.vnua.edu.vn