Hệ thống thủy lợi và phương thúc canh tác tiết kiệm nước.

Con người đã thực hiện việc tưới tiêu để cung cấp nước cho các loại cây trồng kể từ khi biết phương thức canh tác trong nông nghiệp. Trong các môi trường bất lợi như sa mạc nóng ở miền nam bang Arizona, người Mĩ bản địa trước đây đã biết xây dựng hệ thống thủy lợi để dẫn nước từ lưu vực sông Salt gần đó để tưới tiêu cho cây trồng của họ.

Do đó mà xã hội của họ phát triển dựa vào nông nghiệp. Ảnh vệ tinh cho thấy các khi vực vết tích của các kênh đào cổ đại có cùng lộ trình như các kênh dẫn hiện đại được bê tông hóa ngày nay dẫn nước qua khu vực Pheonix của bang Arizona.

Tương tự, thung lũng Tigris và Euphrate thuộc vùng lưỡng hà Mesopotamia (Iraq và Syria ngày nay) được cho là cái nôi của nền văn minh nhân loại, nơi đây sử dụng hệ thống thủy lợi phát triển làm gia tăng năng suất cây trồng.

Nền văn minh có thể bị mai một khi hệ thống thủy lợi tưới tiêu cho đồng ruộng bị nhiễm mặn từ các nguồn nước cung cấp tạp nhiễm muối. Người cổ đại Inca ở Peru cũng thực hiện công tác thủy lợi rộng rãi thời đó. Họ cũng phát kiến các phương pháp mới bao gồm việc lên luống và cung cấp nước từ phía nền.

Tưới tiêu được thực hiện rộng rãi ngày nay trong hệ thống nông nghiệp trên toàn thế giới. Các nguyên tắc điều khiển cũng như thiết kế hệ thống thủy lợi không có nhiều khác biệt đối với thời kỳ cổ đại. Nước rất có giá trị nên phải sử dụng đúng mục đích và hiệu quả nhất có thể. Nếu lượng nước mặt được sử dụng với số lượng lớn thì hệ thống đập và đường thủy phải được xây dựng và duy trì. Nếu nước được bơm từ mạch nước ngầm thì phải đầu tư chi phí để đưa nước lên bề mặt.

Điều ngạc nhiên là hầu hết lượng nước thất thoát trước khi đến được cây cần sử dụng. Sự bốc hơi nước ở các sông hồ, rò rỉ từ các kênh dẫn, sự thoát hơi nước từ các loài cỏ dại thủy sinh phát triển trong kênh rạch. Bên cạnh đó là sự ứng dụng các biện pháp tiếu tiêu không phù hợp ở trên đồng. Một hệ thống thủy lợi được xem là hiệu quả khi khoảng 50% lượng nước có sẵn đến được khu vực rễ của cây trồng cần cung cấp nước   

Rất nhiều phương pháp được phát triển để đưa nước từ các nguồn đến đồng ruộng canh tác. Nếu đất được phân loại và có độ nghiên thích hợp, các rãnh với độ dốc thấp có thể được đào giữa các hàng cây trồng. Nước sau đó được đưa đến điểm cao của rãnh để dẫn nước đến các vùng thấp hơn. Có một lượng nước bị thất thoát bởi vì đất tại điểm cao của rãnh sẽ được bão hòa nước trước khi chuyển tới khoảng giữa cánh đồng hay nước có thể tạo thành vũng tại cuối dốc của rãnh nước.

Tưới tiêu dựa vào lưu vực nguồn nước đang được sử dụng ngày càng nhiều để vượt qua các trở ngại vừa đề cập. Các đồng bằng rộng lớn được san phẳng với độ chênh lệch chỉ từ 10-20mm bằng công nghệ san phẳng bằng tia laser. Nếu mặt phẳng đồng ruộng không đồng nhất thì san phẳng sẽ giúp nước được phân phối đồng đều hơn. Nếu mặt đất không được san phẳng hoặc lượng nước ít không đủ cung cấp thì có thể sử dụng vòi phun.

Tuy nhiên các vòi phun ngoài việc tiêu thụ năng lượng để bơm và tạo áp lực nước thì chúng cũng tạo ra sương hơi nước dễ bốc thoát gây lãng phí. Nếu nước không đạt yêu cầu cho tiếu tiêu cây trồng thì khi tưới bằng vòi phun có thể tạo muối khoáng trên lá gây tác hại cho cây trồng. Trong vài trường hợp thì tưới vòi phun vào buổi tối sẽ ngăn chặn việc tạo khoáng trên bề mặt lá do nước bốc hơi chậm lại.

Một số loại đất có hàm lượng sét cao thì sẽ giãn nở khi còn ướt, khi bị khô thì đất sẽ dễ bị nứt. Khi còn ướt thì đất trở nên dính và kết chặt với nhau làm nước thấm rất chậm. Đối với đất sét bị nứt nẻ thì nước được bổ sung thông qua kỹ thuật tưới nước nhanh trên mặt đất. Nước được tưới trên đồng ruộng rất nhanh với lượng lớn để nước kịp xuyên qua các khe nứt xâm nhập vào vùng rễ của cây trước khi các khe nứt được lấp đi bới đất thấm nước và rã ra.

Những năm gần đây người ta sử dụng một kỹ thuật tưới tiêu mới gọi là kỹ thuật tưới nhỏ giọt. Nước được bơm trực tiếp đến gốc cây thông qua các ống cao su và nhỏ giọt ở tốc độ rất chậm chỉ đủ nhu cầu của cây. Phương pháp tưới nhỏ giọt rất hiệu quả nhưng lại tốn kém và yêu cầu phải bảo trì thường xuyên để hệ thống hoạt động hiệu quả. Ví dụ như tại các đầu thiết bị tạo giọt dễ bị đóng muối khoáng và rong nhớt do vi sinh tạo ra nên thiết bị phải được tẩy rửa định kỳ bằng axit hoặc thuốc khử trùng.

Cho đến nay thì phương pháp tưới nhỏ giọt được sử dụng hầu hết cho các cây trồng có giá trị kinh tế và chất lượng cao mà các loại cây này phụ thuộc vào nguồn cung cấp nước ổn định. Dưới các điều kiện này thì lợi ích từ việc tưới nhỏ giọt có thể bù đắp cho các khoản chi khác. Ở Mỹ thì các loại trái cây ăn tươi như quả việt quất, dâu tây được tưới bằng hệ thống tưới nhỏ giọt.

Với sự hiện diện của các hệ thống tưới tiêu cực kỳ hiệu quả như hệ thống tưới nhỏ giọt. Hiện người ta chú ý vào việc cải thiện hiệu quả sử dụng nước của bản thân giống cây trồng nhiều hơn. Sinh lý học của quá trình hấp thu, vận chuyển và sử dụng nước đang là một lĩnh vực nghiên cứu rất sôi động bởi vì có nhiều vấn đề đang được nghiên cứu tìm hiểu để áp dụng vào nông nghiệp.

Ví dụ như các loại cây ngũ cốc hầu hết mẫn cảm với khô hạn khi cây đang trong giai đoạn trổ bông. Phôi hạt sẽ dừng phát triển tạo ra các cây trồng kém năng xuất và thậm chí là mất trắng hoàn toàn. Như vậy thì giải quyết vấn đề tưới tiêu và sử dụng nước hiệu quả sẽ giúp các nhà nông học đạt được năng suất ổn định mà không phải trông chờ vào việc tiếu tiêu.