Comparison of hydroponic and aeroponic

Trang 1 So sánh hệ thống canh tác thủy canh và khí canh để sản xuất củ khoai tây cỡ nhỏTừ khóa bổ sung; trong nuôi cấy Vitro.. Những thuận lợi và vấn đề có thể xảy ra với hệthống khí can

So sánh hệ thống canh tác thủy canh và khí canh để sản xuất củ khoai tây cỡ nhỏ

Từ khóa bổ sung; trong nuôi cấy Vitro vi nhân giống, khoai tây giống, thu hoạch lặp đi lặp lại

Bản tóm tắt

Hai hệ thống canh tác khác nhau khí canh và thủy canh trong nhà kính được so sánh trong quá trình sản xuất củ khoai tây cỡ nhỏ Cây trồng trong hệ thống khí canh cho thấy sự tăng trưởng sinh dưỡng tăng lên hình thành củ bị trì hoãn và chu kỳ sinh dưỡng kéo dài khoảng bảy tháng sau khi cấy Vì vậy vào năm 1999, hệ thống thủy canh đã đạt được hai chu kỳ sản xuất nhưng chỉ có một với Hệ thống khí canh Tuy nhiên so với tổng sản lượng thủy canh năng suất củ trên mỗi cây trong hệ thống khí canh cao hơn gần 70% và số lượng củ cao hơn gấp 2 lần Trọng lượng củ trung bình đã giảm 33% trong hệ thống khí canh Những thuận lợi và vấn đề có thể xảy ra với hệ thống khí canh để sản xuất củ mini sẽ được thảo luận

Giới thiệu

Sản xuất khoai tây giống chủ yếu dựa vào cây con hoặc củ siêu nhỏ in vitro và sau đó

là sản xuất các củ nhỏ như thế hệ ex vitro đầu tiên (Ranalli 1997) Củ mini có thể được sản xuất sau khi thích nghi với khí hậu từ cây con được trồng với mật độ cao trong nhà kính trên luống (Wiersema et al 1987) hoặc trong thùng chứa (Jones, 1988) bằng cách

sử dụng các hỗn hợp giá thể khác nhau hoặc thậm chí trong nuôi trồng thủy canh (Muro et al 1997) Lommen (1995) đã trình bày các kỹ thuật sản xuất thay thế cho các loại củ nhỏ sử dụng mật độ cây rất cao và thu hoạch lặp đi lặp lại các loại củ nhỏ không phá hoại bằng cách nhấc cây cẩn thận ra khỏi hỗn hợp đất và trồng lại sau khi thu hoạch Những kỹ thuật này cho phép sản xuất các loại củ nhỏ có kích thước lý tưởng số lượng củ có thể tăng lên đáng kể trong khi tổng năng suất lại giảm

Trong nghề làm vườn hiện đại các kỹ thuật sản xuất không cần đất khác nhau như Kỹ thuật màng dinh dưỡng (NFL Cooper, 1979) và khí canh (Peterson et al 1968) đã được phát triển Kỹ thuật nuôi cấy khí canh là một thiết bị tùy chọn của phương pháp nuôi cấy không cần đất trong môi trường kiểm soát tăng trưởng như nhà kính Phương pháp này bao gồm việc đặt Hệ thống rễ trong buồng tối và cung cấp dung dịch nước và chất dinh dưỡng khoáng bằng thiết bị phun sương Kỹ thuật này đã được áp dụng thành công để sản xuất các loài cây trồng khác nhau bao gồm

rau diếp (Cho và cộng sự, 1996; Gysi & von Allmen, 1997; He & Lee, 1998), cà chua (Biddinger và cộng sự, 1998), dưa chuột (Park et al., 1997) và các loại cây cảnh như hoa cúc (Molitor et al al., 1999) hoặc trạng nguyên (Scoggins & Mills, 1998)

Mặc dù ngày càng có nhiều quan tâm đến các phương pháp nuôi trồng không cần đất trong sản xuất trồng trọt thương mại nhưng vẫn có rất ít thông tin về khoai tây Công việc trước đây đã cho thấy kết quả tốt với NFT trong sản xuất củ khoai tây (Wheeler et al 1990; Wan et al 1994) Tuy nhiên, sự hình thành củ kém hơn trong môi trường dinh dưỡng không có môi trường rắn so với môi trường xốp ( ví dụ đá trân châu hoặc vermiculite) Sự ức chế hình thành củ của các tấm đá được ngâm trong dung dịch có thể là hậu quả của việc thiếu lực cản cơ học (Vreugdenhil & Struik, 1989) Gần đây, một hệ thống khí canh để sản xuất khoai tây giống đã được thiết lập thành công ở Hàn Quốc (Kang, 1996 a,b : Kim và cộng sự 1997, 1999) trong điều kiện nhiệt đới và cận nhiệt đới

Theo kết quả thuận lợi mà Lommen (1995) thu được Đối với việc thu hoạch lặp đi lặp lại và xem xét các đặc điểm của nuôi cấy khí canh, sự kết hợp của cả hai kỹ thuật dường như đặc biệt hữu ích cho việc sản xuất củ nhỏ ở khoai tây Trong bài báo này, chúng tôi mô tả một phương pháp sản xuất củ nhỏ bằng phương pháp khí canh và trình bày các kết quả so sánh đầu tiên đối với các chương trình sản xuất truyền thống trong các luống nhà kính sử dụng phương pháp thủy canh

Nguyên liệu và phương pháp

Chuẩn bị cây con Cây con của giống địa phương Nagore được sản xuất in vitro theo Espinoza et al (1984) từ các nút được sao chép trên môi trường Murashige-Skoog tiêu chuẩn (Murashige & Skoog, 1962) Sau bước nhân giống cuối cùng, các đốt của cây con được nuôi cấy trong điều kiện không vô trùng trên giấy lọc được ngâm với cùng môi trường nhưng không có thạch và đường để kích thích sự hình thành rễ Các nút rễ

đã được chuyển sau 6 đến 7 ngày sang khay cây con chứa hỗn hợp 60% cỏ trắng và 40% cỏ đen có bổ sung phân bón làm chất nền Cây con được làm thích nghi trong một tuần trong điều kiện ẩm ướt có che phủ bằng nhựa và tái sinh trong ba tuần thành những cây khoai tây nhỏ cao từ 4 đến 5 cm Nguyên liệu thực vật này là nguyên liệu ban đầu cho các thử nghiệm Hai hệ thống canh tác (thủy canh trong nhà kính và khí canh) đã được thử nghiệm và so sánh

Hệ thống thủy canh Hai chu kỳ sản xuất đã được thực hiện trong năm 1999 gần Vitoria ở miền Bắc Tây Ban Nha Một là từ ngày 3 tháng 3 đến ngày 29 tháng 6 và lần thứ hai là từ ngày 15 tháng 7 đến ngày 10 tháng 11 Nhiệt độ được duy trì từ 18 đến 22

0 C bằng hệ thống làm mát/sưởi ấm Cây phát triển trong điều kiện ánh sáng tự nhiên không cần cung cấp thêm ánh sáng Những cây khoai tây nhỏ được trồng không rửa sạch rễ vào luống nhà kính có chứa đá trân châu (Agroperl) Độ sâu của chất nền khoảng 30 cm Mật độ trồng là 10x10 cm Dung dịch dinh dưỡng (pH 6,5, EC=mS cm

-1 , NO - 3 , SO 4 -, H 2 PO 4- , Cl - , Ca 2+ , Mg 2+ , NH + , Na + và các chất vi lượng) được cung cấp khi cần thiết bằng cách sử dụng tưới nhỏ giọt Phương pháp điều trị bằng thuốc diệt nấm và thuốc trừ sâu được áp dụng khi thích hợp Sau 16 tuần, cây gần hoàn thành chu kỳ sinh dưỡng, cây bị tiêu hủy bởi thuốc diệt cỏ tổng số (Paraquat) và củ

được thu hoạch một tuần sau đó Bốn vùng đại diện pf Irn2 (100 cây) được chọn trong luống nhà kính và thu hoạch riêng Số lượng củ và năng suất củ được ghi lại cho mỗi lần lặp lại Ngay sau khi thu hoạch, một bộ cây khoai tây nhỏ mới được trồng trên cùng một luống nhà kính Cây được trồng trong điều kiện giống hệt nhau và thu hoạch như mô tả trước đây

Khí canh : Nuôi cấy khí canh được thực hiện trong cùng một nhà kính trong sáu

thùng kín (cao 60 cm, rộng 45 cm, sâu 85 cm) có bảng điều khiển phía trước có thể tháo rời để điều khiển và thu hoạch Cây con nhỏ đã thích nghi của cv Nagore được trồng vào ngày 3 tháng 5 bằng cách cố định chúng lên trên các hộp bằng lưới nhựa đá trân châu đã được sử dụng để bịt kín lưới Bằng cách này, tán lá của những cây nhỏ phát triển trong ánh sáng trong khi rễ, thân và củ phát triển trong bóng tối hoàn toàn trong thùng chứa Mật độ trồng là 10x10 cm với tổng số 36 cây/thùng Nước và các yếu tố dinh dưỡng được cung cấp cùng dung dịch dinh dưỡng như trong nuôi trồng thủy canh Với mục đích này, bốn vòi phun sương (4 1/h) nằm ở đáy thùng phun dung dịch dinh dưỡng cứ 10 phút một lần trong 3 giây vào phần bên trong của hộp để giữ ẩm cho rễ Dung dịch dinh dưỡng dư được tái chế Hình Tôi trình bày thiết bị khí canh Với cây trồng Vì cây đã đạt đến độ cao đáng kể trong quá trình phát triển nên cần phải đóng cọc bằng dây ruy băng Các phương pháp xử lý kiểm dịch thực vật tương tự cũng được áp dụng như trong hệ thống thủy canh Củ được thu hoạch nhiều lần và tổng cộng là 8 lần (Bảng l) Tiêu chí thu hoạch phải loại bỏ tất cả các củ có chiều dài lớn hơn 15 đến 20 mm Ở lần thu hoạch cuối cùng, tất cả các củ lớn hơn 5 mm đều được xem xét Vụ thu hoạch đầu tiên là vào ngày 5 tháng 7 khi những củ đầu tiên đủ kích thước đã có Khoảng thời gian thu hoạch tiếp theo là khoảng một tháng và sau đó được rút ngắn lại do tăng sản lượng và phát triển củ (Bảng l) Số lượng củ và tổng sản lượng được ghi nhận mỗi lần trong mỗi hộp Sau mỗi lần thu hoạch, cây được cố định lại trong lưới cao su thấp hơn khoảng 2 đến 4 cm, để cho phép st010n mới và hình thành củ tiếp theo Xử lý dữ liệu và phân tích thống kê Phân tích phương sai được thực hiện bằng SAS, Proc GI™M (Viện SAS, 1989)

Kết quả

Cây khoai tây trong luống nhà kính đạt chiều cao cuối cùng từ 90 đến 110 cm trong khi hệ thống khí canh đạt tổng chiều cao ISO tới 180 cm Sự tăng trưởng sinh dưỡng của thực vật trong hệ thống khí canh cũng được quan sát thấy đối với

hệ thống rễ và chiều dài thân cây (dữ liệu không được hiển thị) Cũng đúng như

dự kiến, cây trên luống đã hoàn thành chu kỳ sinh học khoảng bốn tháng sau khi cấy trong khi cây khí canh tiếp tục phát triển và hình thành chồi mới từ chồi bên Đôi khi quan sát thấy sự tăng trưởng thứ cấp, đôi khi dẫn đến sự hình thành các thân cây mới với các củ bổ sung Cây trồng trong môi trường khí canh kết thúc chu kỳ khoảng bảy tháng sau khi cấy

Hình.1 Hệ thống khí canh: A) các thùng chứa khí canh rỗng có vòi phun sương

và ống nối, B) cây con đã thích nghi phát triển trong hệ thống khí canh, C) cây khoai tây phát triển đầy đủ, D) thu được củ nhỏ

Kết quả các thông số năng suất đo được thể hiện ở Bảng l Tổng cộng có 4,9 củ trên mỗi cây thu được trong cả hai chu kỳ với cây thủy canh Tổng sản lượng đạt khoảng 65,3 g/cây và trọng lượng củ trung bình tương ứng là 13,3 g Trọng lượng này tương ứng với cấp độ 40—45 mm tính bằng cv Nagore có củ dài Với chỉ số hình thức từ 1,8 đến 2,2 (dài/rộng) Trong chu kỳ sản xuất đầu tiên năng suất cao hơn với số lượng củ giảm nhẹ nhưng thu được củ lớn hơn đáng kể

Mặc dù cây thuộc hệ thống thủy canh đã được trồng trước đó hai tháng, quá trình hình thành củ và phát triển củ trong Hệ thống khí canh bị trì hoãn như có thể thấy trong Bảng 1, đối với ba ngày thu hoạch đầu tiên Sự phát triển của các bộ phận trên không của cây ban đầu được ưa chuộng Sản lượng giữa các vụ thu hoạch liên tiếp tăng lên trong quá trình phát triển và giảm đi khi cây già đi Sau đó giai đoạn đầu hình thành củ chậm , số lượng củ được tạo ra ít hơn nhưng lớn hơn Tổng sản lượng đạt đỉnh cao do số lượng củ có kích thước nhỏ hơn tăng lên sau 5 tháng phát triển (ngày thu hoạch thứ 6 ) Tổng sản lượng củ

mỗi cây thu được 109,9 g, trung bình có 12,4 củ với trọng lượng củ trung bình là 8,9 g (loại 30—35 mm) So sánh với mỗi lần thu hoạch trong hệ thống thủy canh

số lượng củ và tổng sản lượng của nó cao gấp ba đến bốn lần

Để so sánh hai hệ thống chúng tôi coi cả năm là khoảng thời gian làm việc hiệu quả Do đó, số lượng củ và sản lượng được tổng hợp trong cả hai chu kỳ sản xuất trong hệ thống thủy canh và được so sánh với tổng số củ và năng suất của hệ thống khí canh bằng phương pháp phân tích phương sai, Ảnh hưởng của hệ thống canh tác rất có ý nghĩa đối với tất cả các thông số năng suất được phân tích ( Bảng I) So với tổng sản lượng thủy canh, năng suất củ trên mỗi cây trong Hệ thống khí canh cao hơn gần 70% và số lượng củ cao hơn 2,5 lần Tuy nhiên, trọng lượng củ trung bình trong hệ thống khí canh lại thấp hơn 33%

Nghiên cứu trước đây cho thấy hành vi sau thu hoạch của củ dường như giống nhau ở cả hai hệ thống sản xuất (dữ liệu chưa được công bố) Củ được trồng trong khí canh cho thấy số lượng đậu lăng đã mở tăng lên do điều kiện độ ẩm cao trong

hệ thống Tuy nhiên khi được bảo quản ở điều kiện thích hợp không tìm thấy sự khác biệt về mặt bảo quản (% củ thối: tốc độ và cường độ nảy mầm) Khi trồng trong nhà kính Hoặc ngoài đồng, không có sự khác biệt rõ ràng về phát triển và năng suất củ được quan sát so với củ giống thủy canh (kết quả không được hiển thị)

Cuộc thảo luận

Các hệ thống canh tác không cần đất thường được sử dụng trong trồng trọt có nhiều ưu điểm so với sản xuất bằng đất Thủy canh dẫn đến năng suất cao hơn (Resh, 1978; FAO 1990) Gysi & von Allmen (1997) nhận thấy cà chua trồng

trong NFT và khí canh có năng suất cao hơn so với trồng trong đất Trong các thí nghiệm trước đây, Hệ thống thủy canh tỏ ra thuận tiện hơn Hệ thống nhân giống truyền thống sử dụng hỗn hợp cát đậu và phân khoáng (dữ liệu chưa được công bố) Những phát hiện này đã xác nhận những phát hiện của Muro et al (1997), người đã tăng năng suất và số lượng củ bằng phương pháp thủy canh Hơn nữa, phương pháp thủy canh cho chất lượng cao hơn và sớm hơn từ một tuần đến một tháng (Morard 1995) tránh được một số mầm bệnh trong đất hoặc các đặc tính vật lý và hóa học không phù hợp của đất, đồng thời tối ưu hóa năng suất cây trồng bằng cách tăng cường khả năng sử dụng nước và khoáng chất trong môi trường

rễ Tuy nhiên, kỹ thuật khí canh Tối ưu hóa việc thông khí cho rễ chắc chắn là yếu

tố chính dẫn đến tăng năng suất so với các hệ thống thủy canh cổ điển (Soffer & Burger 1988) Cho và cộng sự (1996) đã quan sát thấy ở cà chua bi sự tăng trưởng và năng suất tăng lên trong phương pháp khí canh so với phương pháp thủy canh cổ điển

Trong nghiên cứu hiện nay Sự tăng trưởng sinh dưỡng của cây khoai tây tăng lên

và quá trình hình thành củ bị chậm lại đã được quan sát thấy trong các hệ thống khí canh so với thủy canh, điều này có thể là do nguồn cung cấp nitơ không giới hạn trong hệ thống khí canh của chúng ta Kang và cộng sự (1996a) trình bày những quan sát tương tự khi nguồn cung cấp N tăng lên trong dung dịch dinh dưỡng của cây khoai tây được trồng bằng phương pháp khí canh Hơn nữa, Vreugdenhil & Struik (1989) phát hiện ra rằng sự khởi đầu của củ cần phải ngừng

sự phát triển của thân cây, điều này liên quan đến quá trình tổng hợp ethylene Sự chậm trễ của quá trình tạo củ đã được quan sát thấy khi môi trường st010n không tạo ra áp lực cơ học (Lugt et al 1964) Điều này xảy ra trong môi trường nuôi cấy khí canh, nơi rễ phát triển trong không khí mà không có lực cản cơ học Hơn nữa, chiều dài tấm bia tăng lên thu được trong nghiên cứu này ủng hộ giả thuyết này Những quan sát trước đây cho thấy bóng tối tuyệt đối là cần thiết cho sự hình thành củ mặt khác, với lượng ánh sáng tối thiểu ở ngọn thân cây đã phát triển các

lá nhỏ bị tẩy trắng và không xảy ra sự hình thành củ Tuy nhiên, việc nhổ cây bằng tay sau mỗi lần thu hoạch là cần thiết để tăng cường hình thành các thân cây mới Với củ Hành vi tương tự cũng được quan sát thấy trong các thử nghiệm thu hoạch lặp đi lặp lại của Of Lornmen (1995) Ai đã trồng lại cây sâu hơn sau vụ thu hoạch trước

Số lượng củ và năng suất trong hệ thống thủy canh của chúng tôi rất thuận lợi và nằm trong phạm vi mong đợi So sánh với kết quả thu được của Muro et al (1997), sản xuất xét theo số lượng củ năng suất và trọng lượng củ trung bình cao hơn, có thể do mật độ cây cao hơn được sử dụng trong nghiên cứu của chúng tôi Tuy nhiên, với hệ thống khí canh để sản xuất củ mini Với việc thu hoạch lặp đi lặp lại, chúng tôi có thể tăng năng suất và đặc biệt là số lượng củ mặc dù có hai chu kỳ sản xuất mỗi năm Với phương pháp thủy canh (Bảng I) Điều này có thể là

do sự sẵn có của các chất dinh dưỡng được cải thiện chủ yếu là canxi, cần thiết cho quá trình hình thành củ của st010n (Balamani và cộng sự, 1986), và do việc loại bỏ các củ lớn chiếm ưu thế Điều này cho phép hình thành củ mới cũng như phát triển các củ hiện có (Lommen, 1995) Hơn nữa, số lượng củ có mối tương

quan thuận với diện tích lá và số lượng củ lá non (Kahn và cộng sự 1983), và điều này cũng đúng trong phương pháp nuôi cấy khí canh, nơi cây khoai tây cho thấy khả năng sinh trưởng sinh dưỡng cao hơn Sử dụng hệ thống thu hoạch lặp đi lặp lại Lommen (1995) thu được tới 3500 củ có kích thước nhỏ mm) sử dụng mật

độ cây cao lên tới plantOm2 Tuy nhiên điều kiện khí hậu nông nghiệp địa phương của chúng tôi đòi hỏi những củ nhỏ lớn hơn để đạt được năng suất chấp nhận được khi trồng trên đất nặng của các cánh đồng địa phương Điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện thời tiết khô ráo nếu không có nước tưới Hơn nữa so sánh với Lommen (1995) tổng sản lượng củ có thể tăng lên trong hệ thống khí canh của chúng tôi vì có thể tránh được hiện tượng hư hại rễ do nâng lên và trồng lại Hành vi sau thu hoạch tương tự của củ từ cả hai hệ thống sản xuất đều phù hợp Với kết quả của Kim et al (1999), người cũng không tìm thấy sự khác biệt về đặc tính sinh trưởng và hình thành củ của củ giống thu được từ khí canh so với củ giống bình thường

Kỹ thuật thu hoạch trong khí canh thuận tiện và sạch sẽ và thu hoạch lặp đi lặp lại mang lại khả năng thu được củ có kích thước mong muốn Tuy nhiên, nhiều khía cạnh của kỹ thuật này phải được nghiên cứu để tối ưu hóa hệ thống Ví dụ, chúng bao gồm các nghiên cứu về dung dịch dinh dưỡng thích hợp, mật độ cây trồng, số vụ thu hoạch và khoảng thời gian thu hoạch, cũng như tất cả các tương tác có thể có giữa các yếu tố sản xuất Về khoảng thời gian thu hoạch Kim et al (1997) nhận thấy rằng năng suất cao nhất thu được với khoảng thời gian ngắn hơn

là 10 ngày Hơn nữa Kim và tại (1999) đã cải thiện năng suất bằng cách tăng cường độ ánh sáng và làm giàu C02 Các khía cạnh khác cần được xem xét bao gồm khả năng tự động hóa Đại diện cho các quy trình sử dụng nhiều lao động và chi phí trong hệ thống của chúng tôi Ví dụ việc trồng cây thu hoạch thủ công và nhổ bỏ cây sau mỗi lần thu hoạch Hơn nữa, để giới thiệu hệ thống khí canh cho sản xuất củ mini quy mô lớn, việc đánh giá kinh tế là cần thiết vì các phương pháp nuôi cấy không cần đất và đặc biệt là khí canh bộc lộ một số nhược điểm đối với sản xuất công nghiệp: thiếu khả năng đệm nước và hóa chất phải được bù đắp bằng Hệ thống an ninh (báo động máy bơm) chi phí cơ sở hạ tầng cao công nghệ cao và tổ chức chuyên biệt của người trồng trọt Các kết quả được trình bày

ở đây dẫn đến kết luận rằng khí canh có thể là một hệ thống thích hợp để sản xuất

củ khoai tây cỡ nhỏ trong điều kiện khí hậu ôn đới giống như ở các vùng nhiệt đới (Kang và cộng sự 1996a)