Do nông nghiệp sử dụng khoảng 70% nguồn cung nước ngọt toàn cầu và 40% nông nghiệp sử dụng thủy lợi, nên công nghệ làm giảm yêu cầu tưới tiêu là rất quan trọng đối với khả năng cung cấp nước lâu dài. Gia tăng dân số toàn cầu sẽ làm tăng thêm nhu cầu đối với tài nguyên đất và nước canh tác. Các kỹ thuật thủy lợi thường dùng rất kém hiệu quả. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên Hiệp Quốc báo cáo rằng tưới tiêu nông nghiệp lãng phí trung bình 60% lượng nước lấy từ các nguồn nước ngọt. Những thất thoát diễn ra do bay hơi, thấm, hoặc cỏ dại phát triển. Việc tăng hiệu quả tưới tiêu cho sản xuất lương thực toàn cầu phụ thuộc vào tưới tiêu sẽ có tác động lớn đến nguồn cung cấp nước.
Mặc dù nông nghiệp sử dụng nước mưa, chiếm 58% sản xuất nông nghiệp toàn cầu, không dựa vào nước sông và hồ, nhưng vẫn có các công nghệ có thể góp phần làm tăng năng suất nông nghiệp sử dụng nước mưa và làm giảm nhu cầu sử dụng các nguồn nước mặt. 69% diện tích ngũ cốc toàn cầu là sử dụng nước mưa, bao gồm 40% diện tích lúa, 66% lúa mì, 82% ngô và 86% hạt thô. Việc áp dụng công nghệ quản lý nước ở các vùng nông nghiệp nước mưa có thể đóng góp cho năng suất nông nghiệp nói chung. Khử muối trong nước biển và nước lợ đang được sử dụng rộng rãi ở một số trường hợp đã đạt được chi phí sản xuất nước gần bằng khai thác nước ngọt. Tuy nhiên, khử muối có thể khả thi về mặt kinh tế cho các hộ gia đình và sản xuất công nghiệp, chứ không khả thi cho nông nghiệp quy mô lớn. Việc áp dụng công nghệ làm tăng hiệu quả sử dụng nước là lựa chọn duy nhất mà những người nông dân có được để đối mặt với tình trạng khan hiếm nước trên toàn cầu.Công nghệ tưới tiêu tiên tiến Hệ thống tưới nhỏ giọt dưới bề mặt. Nhận thức được hiệu quả của tưới ít nước, nông dân đã bắt đầu sử dụng tưới nhỏ giọt, làm giảm đáng kể những thất thoát nước. Hệ thống tưới nhỏ giọt bao gồm các ống nhựa có các đầu thoát hoặc lỗ có khoảng cách đều nhau dẫn dòng nước được kiểm soát trực tiếp vào đất. Để tránh bay hơi và đưa nước vào vùng rễ chính của cây, các hệ thống tưới nhỏ giọt dưới mặt đất (SDI) đang trở thành tiêu chuẩn. Kể từ những năm 1960, Israel đã đi đầu trong việc áp dụng tưới nhỏ giọt trên thế giới như là cách thức hiệu quả nhất để cấp nước cho cây trồng và đã có những sáng tạo có thể áp dụng cho nông nghiệp quy mô lớn. Trong khí hậu sa mạc, sự bốc hơi nước là nguyên nhân gây ra đến 45% thất thoát nước trong tưới bề mặt thông thường hay tưới phun. Tưới nhỏ giọt có thể giảm tổn thất bay hơi từ 30-70%. Hiệu quả tưới nước nói chung (tỷ lệ nước cấp vào cánh đồng được giữ lại trong vùng rễ cây) đối với SDI là 90-95% so với 35-60% tưới theo luống hay 60-80% đối với các hệ thống phun nước. Ban đầu những người nông dân sử dụng SDI cho các cây trồng theo hàng hàng năm và cây ăn quả lưu niên, nhưng cải tiến thiết kế đã làm cho công nghệ này thích hợp cho bất kỳ cây trồng nào, bao gồm cả những loại cây trồng không thành hàng hoặc luống. Những tiến bộ trong công nghệ tưới nhỏ giọt vẫn đang tiếp tục diễn ra, đặc biệt là ở Israel, và công nghệ có khả năng phát triển cho đến năm 2040. Các hạn chế lớn của SDI là chi phí ban đầu của nó, khoảng 1700- 2000 USD/ha so với 250-1400 USD/ha đối với tưới thông thường. Một lợi thế chi phí bổ sung của SDI là hiệu quả sử dụng phân bón. SDI cấp nước trực tiếp cho rễ vì vậy cần ít nitrate từ đất và phân bón hơn. Những ưu điểm khác của SDI bao gồm: – Kiểm soát tốt hơn cỏ dại và bệnh do không có nước ẩm phía trên làm hạn chế các điều kiện cho nảy mầm và gây bệnh. – Giảm lo ngại về nước thải làm nhiễm cây trồng với các vi sinh vật gây bệnh. – Tuổi thọ lâu dài, trung bình là 15 năm vì hệ thống được chôn dưới mặt đất và tránh được nhiệt và ánh nắng. Ngoài Israel, SDI hiện chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng hiệu quả sử dụng nước cao của nó và các chi phí có khả năng giảm với các thiết kế cải tiến có thể sẽ làm cho nó thành tiêu chuẩn cho thủy lợi vào năm 2040. Tưới tiêu chuyển hơi nước. Để sử dụng nước muối hoặc nước bị ô nhiễm khác phục vụ cho nông nghiệp, tưới tiêu chuyển hơi nước sử dụng các màng ống cho bay hơi chôn ngầm chỉ chuyển hơi nước từ bên trong ống ra đất bên ngoài. Hơi ngưng tụ trong đất ở những nơi cây có thể hấp thụ nước; muối hoặc khoáng chất ô nhiễm khác nằm lại trong ống. Công nghệ này mới ở giai đoạn đầu với chỉ một vài ứng dụng thử nghiệm được thực hiện cho đến nay. Mặc dù kỹ thuật này có thể là sự khởi đầu của bước đột phá trong việc sử dụng nước mặn để tưới tiêu, nhưng chưa có đủ cơ sở để khẳng định nó có thể cạnh tranh với các công nghệ khử muối khác để sản xuất nước phục vụ nông nghiệp vào năm 2040. Tưới tiêu thay đổi tỷ lệ. Người nông dân có thể sử dụng nông nghiệp chính xác để tiết kiệm nước trong tưới cho cây trồng. Nông nghiệp chính xác sử dụng các công nghệ tiên tiến như các vệ tinh định vị toàn cầu (GPS), cảm biến từ xa, hình ảnh trên không, và các hệ thống thông tin địa lý (GIS) để đánh giá tình trạng nông học có liên quan đến biến đổi tại cánh đồng. Một người nông dân có thể sử dụng các thông tin được thu thập bởi các hệ thống này để đánh giá chính xác mật độ gieo hạt, yêu cầu phân bón, và các điều kiện khác, bao gồm cả thời gian và lượng nước cho cây phát triển tối ưu trong các khu vực nhau trên cánh đồng của mình. Một máy thu GPS cung cấp các dữ liệu vị trí trên cánh đồng chi tiết tới một mét hoặc ít hơn. Thông tin này cùng với cảm biến từ xa về điều kiện đất đai, dẫn đến một loạt bản đồ GPS của một cánh đồng. Những bản đồ này hiển thị độ ẩm và mức phân bón cũng như các yếu tố thổ nhưỡng khác ảnh hưởng đến tăng trưởng cây trồng. Quá trình này đã cho ra đời một công nghệ mới nổi: tưới tiêu thay đổi tỷ lệ. Do sự biến đổi trong cánh đồng – kết quả từ các loại đất, địa hình, hoặc nhiều loại cây trồng – khác nhau về thời gian và lượng nước tưới cần thiết ở các khu vực khác nhau. Tỷ lệ sử dụng nước được kiểm soát bằng cách thay đổi thời gian nước chảy trong hệ thống tưới tại các địa điểm cụ thể trong cánh đồng. Trong một nghiên cứu được thực hiện ở nam Georgia (Hoa Kỳ) sử dụng hệ thống thủy lợi trung tâm, đã tiết kiệm được 5,7 triệu gallon nước mỗi năm trên 279 mẫu Anh, so với sử dụng nước thống nhất trên các cánh đồng này. Các công cụ để áp dụng việc tưới tiêu thay đổi tỷ lệ đang phát triển và vào năm 2040 chi phí của chúng có khả năng sẽ giảm xuống đủ để ứng dụng rộng rãi. Công nghệ quản lý nước trong nông nghiệp nước mưa. Việc quản lý nước trong nông trại sử dụng nước mưa có thể làm tăng đáng kể năng suất cây trồng. Nâng cao năng suất nhờ cải thiện việc quản lý nước là rất rõ ràng, ngay cả với phương thức canh tác của địa phương. Khi tích hợp với nhiều loại năng suất cao, sự cải thiện năng suất được nâng cao đáng kể. Với mưa rơi trên cây trồng trong vùng bán khô cằn, 15-30% được cây trồng sử dụng trong thoát hơi, 30-50% không hiệu quả do bay hơi từ đất, 10-30% thấm qua đất, và 10-25% chảy bề mặt. Quản lý nước trong nông nghiệp nước mưa liên quan đến hai công nghệ cơ bản: thu gom và kiểm soát sự bốc hơi. Nước mưa được khai thác bằng cách thu gom và lưu giữ nước chảy thoát để dùng cho tưới tiêu trong mùa khô. Thứ hai là giảm thiểu sự bốc hơi từ đất và tối đa hóa sự thoát hơi của cây trồng bằng “thay đổi bay hơi”. Từ trước đến nay, nước mưa được lưu trữ trong các bể, ao, nhưng công nghệ mới chứa nước trong tầng ngậm nước ngầm thông qua một bể xả hoặc thông qua một giếng chiết nạp. Quản lý đất để giảm sự bay hơi bằng cách sử dụng lớp phủ, không làm đất, trồng xen canh, và chắn gió cũng có tác dụng thay đổi bay hơi.
