เกษตรกรรมยั่งยืนสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นวิธีการทำเกษตรกรรมด้วยระบบนิเวศ[3] การปฏิบัติที่สามารถทำให้เกิดความเสียหายกับดินในระยะยาวได้แก่การไถพรวนดินที่มากเกินไป (โดยการนำไปสู่การพังทลาย) และการชลประทานโดยไม่มีการระบายน้ำอย่างเพียงพอ (โดยการนำไปสู่ความเค็ม) การทดลองในระยะยาวได้ให้บางส่วนของข้อมูลที่ดีที่สุดเกี่ยวกับวิธีการปฏิบัติต่างๆจะส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของดินที่จำเป็นต่อความยั่งยืนได้อย่างไร ในประเทศสหรัฐอเมริกา หน่วยงานของรัฐบาลกลางได้แก่ หน่วยบริการการอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติ (USDA) มีความเชี่ยวชาญในการให้ความช่วยเหลือด้านเทคนิคและการเงินสำหรับผู้ที่สนใจในการใฝ่หาการอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติและการเกษตรแบบการผลิตที่มีเป้าหมายที่เข้ากันได้

ปัจจัยที่สำคัญที่สุดสำหรับแต่ละสถานที่คือแสงแดด อากาศ ดิน สารอาหาร และน้ำ ในห้าอย่างนี้ ปริมาณและคุณภาพของน้ำและดินคล้อยตามการแทรกแซงของมนุษย์มากที่สุดผ่านกาลเวลาและแรงงาน

แม้ว่าอากาศและแสงแดดจะมีอยู่ทุกที่บนโลก พืชก็ยังขึ้นอยู่กับสารอาหารในดินและความพร้อมใช้ของน้ำ เมื่อเกษตรกรเพาะปลูกและเก็บเกี่ยวพืชผล พวกเขาเอาออกบางส่วนของสารอาหารเหล่านี้จากพื้นดิน ถ้าไม่มีการเติมเข้าไปใหม่ ดินจะทนทุกข์ทรมานจากการสูญเสียสารอาหารและจะกลายเป็นใช้ประโยชน์อีกไม่ได้เลยหรือให้ผลผลิตลดลง เกษตรยั่งยืนขึ้นอยู่กับการเติมดินเข้าไปใหม่ในขณะเดียวกันก็ลดให้เหลือน้อยที่สุดในการใช้และ/หรือความต้องการของทรัพยากรที่ไม่หมุนเวียนเช่นก๊าซธรรมชาติ (ในการแปลงไนโตรเจนในบรรยากาศให้เป็นปุ๋ยสังเคราะห์) หรือแร่ดิบ (เช่นฟอสเฟต) แหล่งไนโตรเจนต่อไปนี้ทั้งหลายที่เป็นไปได้ในหลักการจะมีพร้อมให้ใช้อย่างไม่สิ้นสุดรวมถึง:

1. การรีไซเคิลของเสียจากพืชผลและปศุสัตว์หรือของเสียจากมนุษย์ที่บำบัดแล้ว
2. การปลูกพืชตระกูลถั่วและพืชอาหารสัตว์เช่นถั่วลิสงหรือ alfalfa (พืชตระกูลถั่วประเภทมีฝักในยุโรปใช้เลี้ยงสัตว์) ที่ก่อตัวเป็น symbioses (การเอื้อประโยชน์ซึ่งกันของสิ่งมีชีวิตสองชนิด) ที่มีแบคทีเรียชนิดที่มีจำนวนไนโตรเจนคงที่ (อังกฤษ: nitrogen-fixing bacteria) ที่เรียกว่าไรโซเบียม (อังกฤษ: rhizobia)
3. การผลิตเชิงอุตสาหกรรมของไนโตรเจนโดยกระบวนการฮาเบอร์ที่ใช้ไฮโดรเจนที่ในขณะนี้ได้มาจากก๊าซธรรมชาติ (แต่ไฮโดรเจนนี้อาจจะทำแทนได้ด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิสของน้ำโดยใช้ไฟฟ้า (หรืออาจจะมาจากเซลล์แสงอาทิตย์หรือกังหันลม)) หรือ
4. วิศวกรรมพันธุกรรมกับพืช (ที่ไม่ใช่พืชตระกูลถั่ว) เพี่อสร้าง symbioses ชนิดที่มีจำนวนไนโตรเจนคงที่ หรือไนโตรเจนคงที่ที่ไม่มี symbioses แบบจุลินทรีย์ (อังกฤษ: microbial symbionts)

ตัวเลือกข้อสุดท้ายถูกนำเสนอในปี 1970s แต่เพิ่งจะเป็นไปได้เมื่อเร็วๆนี้[4][5] ตัวเลือกที่ยั่งยืนสำหรับการแทนที่ปัจจัยการผลิตสารอาหารอื่นๆ (ฟอสฟอรัส โพแทสเซียม ฯลฯ ) ถูกจำกัดมากขึ้น

เพื่อให้สมเหตุสมผลมากขึ้นซึ่งมักจะถูกมองข้ามไป ตัวเลือกทั้งหลายจะรวมถึง 1) การปลูกพืชหมุนเวียนระยะยาว 2) การส่งคืนกลับไปวัฏจักรตามธรรมชาติที่จะมีน้ำท่วมแหล่งเพาะปลูกเป็นประจำทุกปี (การส่งคืนสารอาหารที่สูญเสียไปตลอดไป) เช่นน้ำท่วมแม่น้ำไนล์ 3) การใช้งานถ่านชีวภาพ (อังกฤษ: biochar) ในระยะยาว และ 4) การใช้พืชและสัตว์พื้นเมือง (อังกฤษ: landrace) ที่ได้รับการปรับแต่งให้น้อยกว่าเงื่อนไขที่เหมาะสมเช่นศัตรูพืช หรือภัยแล้ง หรือการขาดสารอาหาร

พืชที่ต้องการสารอาหารในดินในระดับสูงสามารถปลูกในลักษณะที่ยั่งยืนมากขึ้นถ้าปฏิบัติตามการจัดการปุ๋ยที่เหมาะสม

น้ำ

ในบางพื้นที่ปริมาณน้ำฝนจะมีเพียงพอสำหรับการเจริญเติบโตของพืช แต่พื้นที่อื่นๆหลายแห่งต้องการการชลประทาน สำหรับระบบชลประทานที่จะยั่งยืนได้ มันจำเป็นต้องมีการจัดการที่เหมาะสม (เพื่อหลีกเลี่ยงความเค็ม) และต้องไม่ใช้น้ำมากจากแหล่งเก็บเกินกว่าที่ได้รับทดแทนตามธรรมชาติ มิฉะนั้นแหล่งเก็บน้ำจะกลายเป็นแหล่งเก็บที่ไม่หมุนเวียนโดยทันที การปรับปรุงในเทคโนโลยีการขุดเจาะบ่อน้ำและปั๊มแบบจุ่มรวมกับการพัฒนาน้ำหยดและหัวฉีดน้ำแรงดันต่ำได้ทำให้มันเป็นไปได้ที่จะได้รับผลผลิตสูงอย่างสม่ำเสมอในพื้นที่ที่การพึ่งพาปริมาณน้ำฝนเพียงอย่างเดียวได้ทำความสำเร็จทางการเกษตรที่ได้เคยทำไว้ก่อนหน้านี้เป็นสิ่งที่คาดเดาไม่ได้ อย่างไรก็ตามความก้าวหน้านี้ได้มาในราคาที่สูง ในหลายพื้นที่เช่น แหล่งหินอุ้มน้ำ Ogallala น้ำจะถูกใช้เร็วกว่าที่จะสามารถเติมกลับคืน

มีหลายขั้นตอนที่ต้องดำเนินการเพื่อพัฒนาระบบการทำฟาร์มที่ทนต่อความแล้งแม้จะอยู่ในปี ที่มีปริมาณน้ำฝนเฉลี่ยเป็น "ปกติ" มาตรการเหล่านี้จะรวมถึงทั้งการดำเนินนโยบายและการจัดการ: 1) การปรับปรุงการอนุรักษ์น้ำและมาตรการการจัดเก็บ 2) การให้แรงจูงใจสำหรับการเลือกสายพันธุ์พืชที่ทนต่อฤดูแล้ง 3) การใช้ระบบชลประทานในปริมาณที่ลดลง 4) การจัดการพืชเพื่อลดการสูญเสียน้ำ หรือ 5) การไม่ปลูกพืชทุกชนิดเลย[6]

ตัวชี้วัดการพัฒนาทรัพยากรน้ำที่ยั่งยืนคือ

• ทรัพยากรน้ำหมุนเวียนภายใน นี่คือค่าการไหลเฉลี่ยต่อปีของแม่น้ำและน้ำบนดินที่เกิดจากฝน หิมะหรือลูกเห็บที่ตกลงมา หลังจากที่มั่นใจว่าจะไม่มีการนับซ้ำสอง ค่านี้จะหมายถึงปริมาณสูงสุดของแหล่งเก็บน้ำที่ผลิตภายในขอบเขตของประเทศ ซึ่งจะแสดงเป็นค่าเฉลี่ยในแต่ละปี และเป็นค่าคงที่ตามช่วงเวลา (ยกเว้นในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่พิสูจน์ได้) ตัวบ่งชี้สามารถแสดงออกในสามหน่วยที่แตกต่างกันได้แก่ ในค่าที่แน่นอน (km3/ปี) ในมิลลิเมตร/ปี (มันเป็นการวัดความชื้นของประเทศ) และค่ามีหน่วยต่อประชากร (m3/คนต่อปี)
• แหล่งน้ำทดแทนของโลก นี่คือผลรวมของแหล่งน้ำทดแทนภายในทั้งหมดและการไหลเข้าที่เริ่มต้นจากนอกประเทศ ซึ่งแตกต่างจากทรัพยากรภายใน ค่านี้จะแปรตามเวลาถ้าการพัฒนาที่ต้นน้ำไปลดน้ำพร้อมใช้ที่ชายแดน หลายสนธิสัญญาเพื่อสร้างความมั่นใจการไหลที่เฉพาะเจาะจงจะถูกสำรองตั้งแต่ประเทศต้นน้ำจนถึงประเทศปลายน้ำอาจจะถูกนำมาพิจารณาในการคำนวณของแหล่งน้ำทั่วโลกในทั้งสองประเทศ
• อัตราส่วนการพึ่งพา นี่คือสัดส่วนของแหล่งน้ำทดแทนทั่วโลกเริ่มต้นจากนอกประเทศ แสดงเป็นเปอร์เซนต์ มันเป็นการแสดงออกของระดับที่ทรัพยากรน้ำของประเทศที่ขึ้นอยู่กับประเทศเพื่อนบ้าน
• การถอนน้ำไปใช้ ในมุมมองของข้อจำกัดทั้งหลายที่อธิบายข้างต้น การถอนน้ำทั้งหมดเท่านั้นที่สามารถคำนวณได้อย่างเป็นระบบเป็นรายประเทศเพื่อวัดการใช้น้ำ ค่าสัมบูรณ์หรือค่าต่อบุคคลที่ถอนน้ำเป็นประจำทุกปีเป็นการวัดความสำคัญของน้ำต่อเศรษฐกิจของประเทศ เมื่อแสดงในอัตราร้อยละของทรัพยากรน้ำ มันก็แสดงให้เห็นถึงระดับของความกดดันในแหล่งน้ำ ประมาณการคร่าวๆแสดงให้เห็นว่าถ้าประเทศหนึ่งถอนน้ำเกินกว่าหนึ่งในสี่ของแหล่งน้ำทดแทนของโลก น้ำได้รับการพิจารณาเป็นปัจจัยที่จำกัดการพัฒนาและในทางกลับกัน ความกดดันในแหล่งน้ำอาจมีผลกระทบโดยตรงต่อทุกภาคส่วนตั้งแต่ภาคเกษตรกรรมจนถึงสภาพแวดล้อมและการประมง[7]

ดิน

ดิน [แก้ไข]

พังทลายของดินอย่างรวดเร็วกลายเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของโลก ประมาณว่า "มากกว่าหนึ่งพันล้านตันของดินทางตอนใต้ของทวีปแอฟริกาถูกกัดเซาะทุกปี ผู้เชี่ยวชาญคาดการณ์ว่าผลผลิตจะลดลงครึ่งหนึ่งภายใน 30-50 ปีถ้าการกัดเซาะเกิดอย่างต่อเนื่องในอัตราปัจจุบัน"[8] การพังทลายของดินไม่เกิดกับแอฟริกาเพียงแห่งเดียว แต่จะเกิดขึ้นทั่วโลก ปรากฏการณ์นี้ถูกเรียกว่า "ดินสูง" (อังกฤษ: Peak Soil) เพราะเทคนิคปัจจุบันของเกษตรกรรมแบบโรงงานผลิตขนาดใหญ่เป็นอันตรายต่อความสามารถของมนุษย์ในการเพาะปลูกอาหารในปัจจุบันและในอนาคต[9] โดยไม่มีความพยายามที่จะปรับปรุงแนวทางปฏิบัติของการจัดการดิน ความพร้อมใช้งานของพื้นดินเพาะปลูกได้จะกลายเป็นปัญหามากขึ้น [10]

บางเทคนิคของการจัดการดิน

1. เกษตรกรรมแบบไม่มีการไถดิน
2. การออกแบบแบบ Keyline (อังกฤษ: Keyline design)
3. การปลูกพืชกำบังลมเพื่อยึดดินไว้
4. การผสมสารอินทรีย์กลับเข้าไปในทุ่งนา
5. หยุดการใช้ปุ๋ยเคมี (ซึ่งมีเกลือ)
6. การปกป้องดินจากน้ำไหลล้น (การพังทลายของดิน)

ฟอสเฟต

ฟอสเฟตเป็นองค์ประกอบหลักในปุ๋ยเคมีที่ถูกนำไปใช้ในการผลิตทางการเกษตรที่ทันสมัย อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์คาดว่าหินฟอสเฟตสำรองจะหมดลงในอีก 50-100 ปีและพีคฟอสฟอรัสก็จะเกิดขึ้นในประมาณปี 2030[11] ปรากฏการณ์ของพีคฟอสฟอรัสคาดว่าจะเพิ่มราคาอาหารเพราะค่าปุ๋ยเพิ่มขึ้นเนื่องจากหินฟอสเฟตสำรองยากที่จะสกัดมาได้ ในระยะยาวฟอสเฟตจึงจะต้องมีการกู้คืนและรีไซเคิลจากขยะของมนุษย์และสัตว์เพื่อรักษาระดับการผลิตอาหาร

ที่ดิน

ในขณะที่ประชากรของโลกเพิ่มขึ้นและความต้องการอาหารเพิ่มขึ้น ก็มีแรงกดดันต่อทรัพยากรที่ดิน ที่ดินยังสามารถได้รับการพิจารณาเป็นทรัพยากรที่จำกัดบนโลกอีกด้วย การขยายตัวของที่ดินเกษตรกรรมมีผลกระทบต่อความหลากหลายทางชีวภาพและก่อให้เกิดการตัดไม้ทำลายป่า องค์การอาหารและการเกษตรแห่งสหประชาชาติคาดการณ์ว่าในทศวรรษที่กำลังจะถึง ที่ดินเกษตรกรรมจะยังคงสูญเสียให้กับการพัฒนาอุตสาหกรรมและการพัฒนาเมืองพร้อมกับการบุกเบิกของพื้นที่ชุ่มน้ำและการแปลงป่าเพื่อการเพาะปลูก ซึ่งมีผลในการสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพและเพิ่มการพังทลายของดิน[12]

พลังงานเพื่อเกษตรกรรม

บทความหลัก: พลังงานทดแทน

พลังงานถูกใช้ตลอดทางของห่วงโซ่อาหารจากฟาร์มจนถึงช้อน ในเกษตรกรรมเชิงอุตสาหกรรม พลังงานถูกใช้ในเครื่องจักรกล การแปรรูปอาหาร การเก็บรักษาและกระบวนการขนส่ง[13] ดังนั้นจึงพบว่าราคาพลังงานที่มีการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับราคาอาหาร[14] น้ำมันยังถูกใช้เป็นปัจจัยการผลิตสารเคมีทางเกษตรกรรมอีกด้วย ราคาที่สูงขึ้นของแหล่งพลังงานไม่ทดแทนได้รับการคาดการณ์โดยสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศว่า ราคาพลังงานที่เพิ่มขึ้นเป็นผลมาจากทรัพยากรเชื้อเพลิงฟอสซิลที่กำลังหมดไปอาจส่งผลกระทบทางลบต่อความมั่นคงทางอาหารของโลกเว้นแต่จะต้องมีการ 'แยก' พลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลออกจากการผลิตอาหาร และย้ายไปใช้ระบบเกษตรกรรม 'พลังงานฉลาด'[14] การใช้ระบบชลประทานด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในปากีสถานได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวอย่างชั้นนำของการใช้พลังงานในการสร้างระบบปิดสำหรับน้ำเพื่อการชลประทานในกิจกรรมการเกษตร[15]