Là một xu hướng toàn cầu, nông nghiệp thông minh đã đánh dấu bước tiến lớn trong cách vận hành sản xuất và tiêu thụ thực phẩm nông nghiệp. Nhờ ứng dụng công nghệ trong ngành, năng suất và chất lượng sản phẩm gia tăng mạnh mẽ, góp phần bảo vệ môi trường.

Sự phát triển đô thị hóa diễn ra nhanh chóng đang đặt ra thách thức không nhỏ cho việc đảm bảo nguồn cung lương thực, thực phẩm ổn định, khi diện tích đất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp. Để giải quyết vấn đề này, nhiều thành phố trên thế giới đã và đang tiên phong ứng dụng công nghệ thông minh vào phát triển nông nghiệp đô thị, hướng tới mục tiêu cung cấp thực phẩm tươi sống, tạo dựng không gian xanh và cải thiện chất lượng không khí cho cư dân.

Mô hình nông nghiệp thông minh đô thị đa dạng, bao gồm nông nghiệp theo chiều dọc, nhà kính thông minh và nông nghiệp mở dựa trên nền tảng Internet of Things (IoT). Sự kết hợp này cùng với lực lượng nông dân trẻ, có trình độ và khả năng tiếp cận công nghệ GPS, quản lý nhiệt độ, hệ thống tưới nước tự động, nông nghiệp chính xác và quản lý dữ liệu, đang từng bước chuyển đổi hệ thống sản xuất lương thực, thực phẩm truyền thống.

Nông nghiệp theo chiều dọc và nông nghiệp đô thị nói chung mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho những khu vực có đủ nguồn lực đầu tư. Tuy nhiên, đây không phải là giải pháp đơn lẻ có thể giải quyết triệt để vấn đề an ninh lương thực toàn cầu. Dù vậy, nông nghiệp theo chiều dọc chắc chắn là một phần không thể thiếu trong bức tranh tổng thể của giải pháp này.

Từ năm 2017, tổng vốn đầu tư toàn cầu vào công nghệ thực phẩm nông nghiệp đạt 10,1 tỷ USD, trong đó 200 triệu USD được dành cho nông nghiệp theo chiều dọc. Điều này cho thấy nông nghiệp đô thị đang và sẽ trở thành một yếu tố then chốt trong quá trình các quốc gia và thành phố tái cấu trúc hệ thống cung cấp thực phẩm, hướng tới sự sẵn có, linh hoạt và thân thiện với môi trường.

Nhằm đảm bảo an toàn lương thực, thực phẩm cho các đô thị, nhiều thành phố trên thế giới đã bắt đầu triển khai các chính sách khuyến khích sự phát triển nông nghiệp đô thị như một phần quan trọng của hệ thống lương thực, thực phẩm địa phương, đặc biệt sau những ảnh hưởng tiêu cực từ đại dịch. Điển hình như New York (Mỹ) đã đầu tư 2 triệu USD để hỗ trợ các hộ gia đình hoặc khu dân cư thử nghiệm các công nghệ canh tác đô thị.

Nhiều thành phố khác cũng đã ban hành các quy định về phân vùng và triển khai các chương trình thúc đẩy mở rộng nông nghiệp đô thị. Tại Paris (Pháp), sáng kiến "Parisculteurs" đặt mục tiêu phủ xanh 100 héc ta mái nhà và tường bằng không gian xanh, trong đó một phần ba diện tích dành cho sản xuất thực phẩm. Các nhà khoa học Singapore cũng khuyến khích phát triển trang trại đô thị như một phần trong các yêu cầu xây dựng xanh.

Bản chất phi tập trung và đa dạng của các mô hình canh tác đô thị là một yếu tố quan trọng đóng góp vào sự đổi mới nhanh chóng của ngành công nghiệp này, đồng thời mở ra tiềm năng trở thành một nguồn sản xuất thực phẩm bền vững. Những tiến bộ trong quy hoạch nông nghiệp đô thị đang diễn ra ngày càng rõ rệt. Các thành phố, cộng đồng và các ngành công nghiệp đang hợp tác để khai thác tối đa lợi thế của nông nghiệp - một bộ phận không thể tách rời của thành phố thông minh.

Phát triển nông nghiệp theo chiều dọc được xem là một bước đột phá trong sản xuất nông nghiệp, với ba hướng ứng dụng công nghệ chính là thủy canh, hệ thống canh tác thủy sản và tháp canh tác. Trang trại đô thị có thể đơn giản là những khu vườn truyền thống ngoài trời, hoặc phức tạp hơn là các nông trại theo chiều dọc trong nhà, nơi người nông dân tập trung vào khai thác không gian ba chiều.

Những nông trang tương lai phức tạp này có thể được thiết kế theo nhiều cách khác nhau, nhưng phần lớn đều bao gồm các hàng giá đỡ chứa cây trồng trong đất, dung dịch dinh dưỡng hoặc thậm chí là môi trường không khí. Mỗi tầng được trang bị hệ thống đèn UV để mô phỏng ánh sáng mặt trời. Khác với sự phụ thuộc vào thời tiết của canh tác ngoài trời, việc trồng trọt trong nhà cho phép người nông dân kiểm soát các điều kiện môi trường để tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng.

Một số chuyên gia nhận định rằng canh tác theo chiều dọc sẽ trở nên phổ biến trong các đô thị thông minh của tương lai. Mô hình này đã được thử nghiệm thành công tại Singapore, nơi cây trồng được nuôi dưỡng trong các tòa nhà cao tầng, mang lại nhiều lợi ích to lớn nhờ công nghệ tiên tiến và kết quả ấn tượng.

Nông nghiệp theo chiều dọc sở hữu những ưu điểm vượt trội như khả năng sản xuất cây trồng quanh năm, loại bỏ rủi ro mất mùa do các yếu tố thời tiết bất lợi như hạn hán, lũ lụt, sâu bệnh. Phương pháp này còn hướng đến sản xuất hữu cơ, không sử dụng thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu hoặc phân bón hóa học, đồng thời giảm đáng kể việc sử dụng nhiên liệu cho máy kéo, máy cày và vận chuyển. Hơn nữa, nó còn giúp cắt giảm chi phí vận chuyển và bảo vệ chất lượng thực phẩm trong suốt quá trình từ trang trại đến bàn ăn.

Tại Chicago (Mỹ), các nông trại theo chiều dọc đang mọc lên trong các khu vực đô thị, với một số tòa nhà cũ được tái sử dụng cho mục đích nông nghiệp. Tương tự, ở New Jersey, một công ty nông nghiệp trong nhà đã triển khai một trang trại theo chiều dọc rộng 78.000 mét vuông, trồng 12 tầng các loại rau diếp lá đỏ, cải xoăn, cải chíp và nhiều loại rau khác. Lợi ích lớn nhất của canh tác theo chiều dọc là khả năng bảo tồn nước hiệu quả. Các hệ thống thủy canh và khí canh chỉ cung cấp lượng nước vừa đủ cho cây và nước được tuần hoàn trong hệ thống. Trung bình, các trang trại và nhà kính trong nhà sử dụng lượng nước ít hơn ít nhất 70% so với phương pháp trồng rau truyền thống. Bên cạnh đó, chi phí vận chuyển cũng giảm đáng kể, giúp rau quả đến tay người tiêu dùng vẫn giữ được độ tươi ngon và giảm thiểu tình trạng hư hỏng, lãng phí.

Tuy nhiên, sự phát triển ấn tượng của nông nghiệp theo chiều dọc cũng đang đối mặt với nhiều thách thức liên quan đến áp lực chi phí. Thực tế cho thấy, chi phí triển khai công nghệ cho một trang trại nhỏ đã lên tới ít nhất 280.000 USD. Mặt khác, chi phí xây dựng các trang trại phức tạp với công nghệ tiên tiến hơn có thể vượt quá 15 triệu USD. Chi phí cho hệ thống chiếu sáng và nhân công cũng tạo thêm gánh nặng cho các công ty khi cạnh tranh với các nhà sản xuất hữu cơ và truyền thống. Giá thành một kg rau xanh được trồng theo phương pháp canh tác theo chiều dọc có thể lên tới khoảng 33 USD, trong khi sản phẩm hữu cơ chỉ có giá khoảng 23 USD.

Để đảm bảo lợi nhuận lâu dài cho các trang trại theo chiều dọc, việc chuyển đổi sang các công nghệ tiên tiến hơn là điều cần thiết. Điều này có nghĩa là, bên cạnh việc tự động hóa kiểm soát tưới tiêu, độ ẩm, ánh sáng, CO2 và các thông số liên quan khác, các trang trại cần có khả năng tự động thu thập dữ liệu và tối ưu hóa quy trình phát triển. Họ cũng cần triển khai các thiết bị máy móc tiên tiến để tự động hóa các hoạt động trồng, làm cỏ, thu hoạch, phân loại và đóng gói sản phẩm để vận chuyển.

Những cải tiến này cho phép các trang trại theo chiều dọc đạt năng suất gấp 55 lần so với các trang trại truyền thống. Trong một trang trại theo chiều dọc thế hệ mới, đèn LED được sử dụng để cung cấp ánh sáng cho cây, hiệu quả hơn so với các hình thức chiếu sáng nhân tạo khác như đèn huỳnh quang và đèn sợi đốt, dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), hiệu quả chiếu sáng của đèn LED dự kiến sẽ tăng thêm 70% vào năm 2030.

Một điểm đáng chú ý là Infarm - một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Berlin (Đức) đã xây dựng hệ thống nông nghiệp đô thị theo một phương thức độc đáo. Họ phát triển các trang trại mô-đun được đặt tại các địa điểm gần gũi với khách hàng, như trường học, cửa hàng tạp hóa, nhà hàng và trung tâm mua sắm, cho phép khách hàng tự lựa chọn sản phẩm tươi sống. Các đối tác của Infarm có thể dễ dàng thêm các mô-đun nếu muốn tăng sản lượng canh tác, trong khi toàn bộ quá trình sản xuất được theo dõi và kiểm soát thông qua nền tảng dựa trên điện toán đám mây.

Về cơ bản, toàn bộ hoạt động canh tác theo phương thức này được xem như một dịch vụ, kết hợp phân tích IoT, Big Data và điện toán đám mây. Hiện tại, Infarm đang hợp tác với 25 nhà bán lẻ thực phẩm lớn ở Mỹ, Pháp, Thụy Sỹ như Migros, Casino, Intermarche, Auchan, Selgros và AmazonFresh với tổng cộng hơn 200 trang trại tại cửa hàng và 150 trang trại trong các trung tâm phân phối. Infarm đã huy động được 100 triệu USD để mở rộng các nhóm nghiên cứu và phát triển, bán hàng và vận hành.

Nông nghiệp thông minh hứa hẹn mang lại cơ hội tăng cường khả năng kết nối cho người sản xuất với thông tin, quản lý sản xuất hiệu quả hơn và giảm bớt sự phức tạp của các thủ tục hành chính. Người nông dân có thể tiếp cận trực tiếp các dịch vụ công của Nhà nước cho nông nghiệp. Về cơ chế hoạt động nông nghiệp thông minh, lợi ích cụ thể đầu tiên là người nông dân có thể tiếp cận nguồn thông tin phong phú hơn để đưa ra quyết định sản xuất chính xác hơn, giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường thông qua các nền tảng số do doanh nghiệp hoặc nhà nước cung cấp. Các nền tảng này kết nối với các dịch vụ đầu vào sản xuất như giống, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, dịch vụ cơ giới hóa, vay tín dụng, khuyến nông số, dự báo thời tiết khí hậu, bảo vệ thực vật, bảo quản, vận chuyển, thu hoạch, thông tin về nhu cầu thị trường, tiêu chuẩn chất lượng và giá cả cập nhật.

Các nguồn thông tin này được thu thập, tích lũy và tập hợp dưới dạng cơ sở dữ liệu mở, quản lý tập trung bởi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng các doanh nghiệp, tạo điều kiện cho mọi người dân kết nối và sử dụng. Hộ nông dân, trang trại, hợp tác xã hoặc doanh nghiệp sản xuất có thể áp dụng các công nghệ sản xuất của nông nghiệp chính xác, tự động hóa để tối ưu hóa từng khâu trong quá trình sản xuất như bón phân, tưới nước, xử lý thuốc bảo vệ thực vật, đảm bảo an toàn thực phẩm và giảm ô nhiễm môi trường với sự hỗ trợ của các nền tảng số.

Cơ hội tiếp theo nằm ở khâu sau thu hoạch, quản lý chuỗi giá trị, truy xuất nguồn gốc từ trang trại đến bàn ăn, truy xuất thông tin và bán hàng thông qua thương mại điện tử với các nền tảng số do doanh nghiệp cung cấp. Các nền tảng này có thể đảm nhận cả công tác hậu cần và vận chuyển. Với các công nghệ số tiên tiến như blockchain, IoT, AI,... do các doanh nghiệp Việt Nam phát triển, việc nông dân tiếp cận với chi phí phù hợp là hoàn toàn khả thi.

Mặc dù còn nhiều vấn đề cần giải quyết, Việt Nam đã xuất hiện một số mô hình nông nghiệp thông minh tiêu biểu. Một số mô hình có sự tham gia của nông hộ nhỏ như mô hình trồng rau thủy canh thông minh đang ngày càng phổ biến trên khắp cả nước, với quy mô đa dạng từ vài trăm mét vuông đến hàng chục héc ta. Công nghệ này cũng có thể áp dụng cho các hộ gia đình tự trồng rau trong đô thị với mục tiêu tự cung cấp, phù hợp với cả các trang trại nhỏ và các doanh nghiệp, hợp tác xã quy mô lớn có mạng lưới đối tác là các hộ trang trại nhỏ cung ứng theo hợp đồng.

Hachi là một doanh nghiệp khởi nghiệp của nhóm bạn trẻ đến từ Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Nông nghiệp, với số vốn ban đầu chỉ 100 triệu đồng. Hachi đã thử nghiệm thành công giải pháp ứng dụng công nghệ IoT trên hệ thống thủy canh thông minh trồng rau. Hệ thống của Hachi bao gồm ba thành phần chính: hệ thống thủy canh thông thường, bộ điều khiển thông qua ứng dụng IoT trên điện thoại thông minh và hệ thống đèn LED nhân tạo cung cấp ánh sáng cho cây mà không cần ánh sáng mặt trời.

Lâm Đồng cũng là một tỉnh có nhiều mô hình trang trại gia đình ứng dụng nông nghiệp thông minh thành công, điển hình như trang trại trồng rau xà lách thủy canh của anh Tô Quang Dũng, Giám đốc điều hành Công ty TNHH Trang trại Trường Phúc tại xã Đạ Sar, huyện Lạc Dương. Anh Dũng quyết định đầu tư xây dựng nhà kính và hệ thống thủy canh để trồng rau. Ban đầu, chi phí hệ thống khá cao, khoảng 800 triệu đồng/sào (1.000 m2), nhưng thị trường tiêu thụ mới là thách thức lớn. Trong những vụ đầu, trang trại chỉ bán được khoảng 100 kg rau mỗi ngày. Đến khi trang trại đã ký kết xuất khẩu những container rau thủy canh đầu tiên sang Hàn Quốc. Đến nay, trang trại vẫn duy trì và phát triển thị trường này, chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao và được khách hàng ưa chuộng.

Hiện tại, trên diện tích hơn 3 héc ta trồng rau thủy canh của mình, anh Dũng đang dần hoàn thiện chuyên môn hóa các sản phẩm chủ lực. Trong đó, sản phẩm rau xà lách chuyên cung cấp cho thị trường Hàn Quốc được luân canh liên tục trên diện tích 1,5 héc ta. Với phương pháp trồng rau thủy canh công nghệ cao, thời gian trồng rau ngắn và rau hoàn toàn cách ly với mặt đất, giúp hạn chế tối đa nguy cơ nhiễm kim loại nặng và các loại vi khuẩn từ đất.

Trang trại hiện đang sử dụng màng bọc bảo quản rau bằng công nghệ nano, có khả năng hút khí O2, đẩy CO2 và H2O ra ngoài, giúp bảo vệ tế bào bên trong cây rau và duy trì chất lượng trong thời gian dài. Đặc biệt, công nghệ làm lạnh xuyên tâm được áp dụng giúp rau có thể bảo quản lâu hơn, giữ được độ tươi xanh và đảm bảo chất lượng trong quá trình vận chuyển từ 10-12 ngày. Một vụ rau xà lách kéo dài khoảng 35 ngày, và mỗi năm trang trại có thể trồng trung bình từ 11-12 vụ, với sản lượng từ 2,5-4 tấn/1.000 m2.

Đặc biệt, trong điều kiện khí hậu thuận lợi, sản lượng có thể đạt hơn 4 tấn/1.000 m2. Sản phẩm không chỉ được xuất khẩu hàng trăm tấn mỗi năm mà còn được cung cấp một số lượng lớn vào chuỗi các siêu thị trong nước. Mỗi ngày, Công ty Trường Phúc cung cấp cho thị trường nội địa hơn 2 tấn rau xanh các loại. Hiện công ty đang liên kết với 20 hộ dân trên diện tích hơn 20 héc ta để sản xuất 30 loại rau xanh, củ, quả khác như cà rốt baby, súp lơ xanh baby và các loại rau ăn lá, cung cấp cho thị trường trong nước và xuất khẩu.

Có thể thấy, nông nghiệp thông minh là một thành tố quan trọng của nông nghiệp đô thị, đặc biệt đối với các thành phố lớn trong tương lai. Nông nghiệp đô thị mang tính đa chức năng, không chỉ cung cấp thực phẩm mà còn cung cấp hoa, cây cảnh và tạo không gian xanh. Việc nghiên cứu các công nghệ thông minh phù hợp cũng như xây dựng môi trường thể chế chính sách thuận lợi cho lĩnh vực này là vô cùng cần thiết./.