Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng LED (Light-Emitting Diodes) sản xuất rau ăn lá trong nhà

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tính từ năm 2007, hơn 50% dân số thế giới đang sinh sống ở các khu vực thành phố và theo ước tính đến năm 2050 con số này sẽ đạt hơn 70%. Vì thế, ngày càng nhiều người bắt đầu quan tâm đến sản xuất nông nghiệp đô thị (Despommier, 2010). Nông nghiệp đô thị có hai lợi ích cơ bản. Một là giúp người dân ở thành phố có thể thực hiện việc trồng trọt như một sở thích hoặc một hoạt động giải trí trong cuộc sống hằng ngày và hai là tạo nguồn thực phẩm an toàn cho gia đình hoặc lớn hơn là cung cấp cho người dân sống gần đó (Kozai, 2016). Theo Lê Phúc Chi Lăng (2017), vấn đề an ninh lương thực và an toàn vệ sinh thực phẩm đã và đang được quan tâm tại thành phố lớn, đặc biệt đối với những người dân có thu nhập thấp tại các đô thị luôn đối mặt với nguy cơ ngộ độc do thói quen sử dụng các loại thực phẩm, nông sản không rõ nguồn gốc và không đảm bảo an toàn. Trước những thực trạng đó, nhiều người dân trong thành phố đã tận dụng sân thượng hay ban công để trồng rau trong thùng xốp hoặc khay nhựa nhằm tạo ra nguồn rau an toàn cho gia đình sử dụng. Tuy nhiên, với diện tích trồng nhỏ hẹp lại thêm thiếu ánh sáng mặt trời nên đã gây ra rất nhiều khó khăn cho người trồng. Trong khi đó, trên thế giới các nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo trong lĩnh vực trồng trọt đã được quan tâm từ những năm 1990 (Massa and Norrie, 2015). Đèn LED được xem là một nguồn ánh sáng nhân tạo tối ưu trong việc thay thế ánh sáng mặt trời cho cây quang hợp (Shimizu et al., 2011). Đèn LED có nhiều ưu điểm nổi bật như tiêu hao ít điện năng, kích thước nhỏ, tuổi thọ kéo dài và nhiệt lượng tỏa ra ra thấp hơn các loại đèn huỳnh quang và đèn cao áp (Gupta and Jatothu, 2013, Tewolde et al., 2016). Quan trọng hơn là công nghệ đi-ốt phát sáng (LED) có thể tạo ra các bước sóng đơn sắc xanh dương và đỏ phù hợp cho sự hấp thu tối đa ánh sáng của chlorophyll a và chlorophyll b trong hệ thống quang hợp của cây trồng (Shimokawa et al., 2014), đồng thời hạn chế được sự lãng phí điện năng do không tạo ra các bước sóng không cần thiết cho quang hợp (Mitchell et al., 2012) nên đèn LED đã và đang được ứng dụng trong sản xuất ở nhiều quốc gia có nền nông nghiệp tiên tiến (Stutte, 2009). Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong sản xuất nông nghiệp đang bắt đầu được chú trọng phát triển. Các nghiên cứu chủ yếu liên quan đến ứng dụng ánh sáng đèn LED trong nuôi cấy mô (Nguyễn Thanh Phương và ctv., 2014, Hoàng Thanh Tùng và ctv., 2015, Nguyễn Khắc Hưng và ctv., 2016), tác động quang kỳ trên hoa cúc (Nguyễn Bá Nam và ctv., 2014) và ứng dụng xử lý ra hoa trên cây thanh long (Lê Văn Bé và ctv., 2014). Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về ứng dụng đèn LED trên cây rau, đặc biệt là nhóm rau ăn lá. Các loại rau ăn lá chủ yếu thuộc nhóm cây ngắn ngày, tương đối dễ trồng và rất được ưa thích trong các bữa ăn hằng ngày của các gia đình người Việt. Rau ăn lá có thể được trồng với mật độ cao, chiều cao cây thấp nên phù hợp với sản xuất rau đô thị, sản xuất rau theo hướng nhiều tầng nhằm khai thác không gian trên cao để tăng sản lượng rau trên đơn một vị diện tích (Kozai, 2013). Việc xác định cụ thể quang phổ, cường độ và thời gian chiếu đèn LED để thay thế ánh sáng mặt trời trong việc thúc đẩy tăng trưởng, gia tăng năng suất và chất lượng các loại rau ăn lá là rất quan trọng để có thể phát triển sản xuất nông nghiệp đô thị, đáp ứng nhu cầu tự sản xuất rau của người dân. Chính vì thế việc nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong sản xuất rau ăn là hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại. 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

2020

TÓM TẮT

Luận án “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng LED (light-emitting

diodes) sản xuất rau ăn lá trong nhà” được thực hiện từ tháng 5/2016 đến tháng

1/2019 tại trường Đại học Cần Thơ nhằm xác định: (1) Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED, (2) Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành trồng trong điều kiện phòng tối, (3) Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành trồng nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới và (4) Hiệu quả của mô hình trồng trong nhà

có sử dụng đèn LED với sản xuất truyền thống Kết quả cho thấy:

Trong điều kiện phòng tối hoàn toàn: (1) Đèn LED có quang phổ 80% đỏ: 20% xanh dương là phù hợp cho sinh trưởng, năng suất, chất lượng của cải củ, cải phụng thu non và xà lách trường thành, thậm chí năng suất xà lách còn cao hơn 111% so với ánh sáng tự nhiên (đối chứng) (2) Cường độ 107 μmol.m-2.s-1 và 137 μmol.m-2.s-1 kết hợp với thời gian chiếu sáng 20/4-24/0 đều cho năng suất tổng của cải củ và cải phụng thu non cao nhất và thấp nhất là ở 40 μmol.m-2.s-1 khi kết hợp với thời gian chiếu sáng 14/10-18/6 Đối với xà lách thủy canh sử dụng đèn LED

có cường độ 107 μmol.m-2.s-1 kết hợp thời gian chiếu sáng 20/4 và 22/2 (giờ sáng/tối) cho kết quả đạt cao nhất về năng suất thương phẩm (dao động từ 2,53-2,57 kg/m2) Trong điều kiện nhà lưới trồng trên kệ 3 tầng có bổ sung ánh sáng đèn LED (80% đỏ:20% xanh dương, cường độ 107 μmol.m-2.s-1): (3) Trồng cải củ và cải phụng thu non với thời gian bổ sung đèn LED từ 16, 18 và 20 giờ/ngày đêm cho năng suất thương phẩm cao nhất (2,80-3,13 kg/m2), cao hơn 11-35% so với bổ sung đèn LED 10; 12 và 14 giờ/ngày đêm Xà lách thủy canh chiếu sáng bổ sung đèn LED từ 16, 18 và 20 giờ/ngày cho năng suất thương phẩm cao nhất ở cả 3 thời điểm thu hoạch 25, 28 và 31 ngày sau khi gieo (4) Cải củ và Cải phụng thu non với thời gian chiếu sáng bổ sung đèn LED 16 giờ/ngày đêm cho sản lượng rau thương phẩm (kg/m2/vụ) cao hơn 167- 664% so với điều kiện ngoài đồng và cao hơn 316-504% so với mô hình thủy canh 1 tầng sử dụng ánh sáng tự nhiên trong nhà lưới Trồng xà lách thủy canh với thời gian chiếu bổ sung đèn LED 16 giờ/ngày đêm cho sản lượng thương phẩm cao hơn 24-30 lần so với thủy canh 1 tầng sử dụng ánh sáng tự nhiên trong nhà lưới và cao hơn 21-37 lần so với điều kiện ngoài đồng

Từ khóa: cường độ ánh sáng, đèn LED, quang phổ, rau non, thời gian chiếu sáng,

xà lách

ABSTRACT

The thesis “Study of LED (light-emitting diodes) lighting technology

application to produce leafy vegetables indoor” was carried out from May 2016

to January 2019 in College of Agriculture, Can Tho University The main objectives of the research were: (1) The effect of LED spectrum, (2) The effect of LED light intensity and photoperiods on growth, yield of baby greens (radish and mustard greens) and mature lettuce grown in dark room condition, (3) The effect

of supplemental LED lighting periods on growth, productivity of baby greens (radish and mustard greens) and mature lettuce grown under cultivation shelves in greenhouse condition and (4) The effect of indoor growing method using LED lights with traditional production The results showed that:

In dark room condition: (1) The LED spectrum with 80% red: 20% blue was suitable for growth, productivity, quality of baby radish greens, mustard greens and mature lettuce, even lettuce productivity was 111% higher than natural light (control) (2) LED light intensity of 107 μmol.m-2.s-1 and 137 μmol.m-2.s-1 combined with photoperiods of 20/4 - 24/0 (ligh/dark) showed the highest yield the total yield of baby radish greens and mustard greens and the lowest one was at 40 μmol.m-2.s-1 when combined with photoperiods 14/10 and 18/6 For hydroponic lettuce using LED with intensity of 107 μmol.m-2.s-1 combined photoperiods of 20/4 and 22/2 (light/dark) gave the highest result of commercial productivity (varied from 2.53-2.57 kg/m2) In greenhouse and under 3-tiers growing shelf with supplemental LED lighting (80% red: 20% blue, intensity of 107 μmol.m-2.s-1) conditions: (3) Growing baby radish greens and mustard greens under supplemental LED periods of 16, 18 and 20 hours/day gave the highest commercial yield (2.80-3.13 kg/m2), were 11-35% higher than additional LED lighting on 10,

12 and 14 hours/day Hydroponic lettuce with supplemental LED lighting from 16,

18 and 20 hours/day showed the highest commercial productivity at all three harvest times (25, 28 and 31 days after sowing, respectively) (4) Growing baby radish greens and mustard greens with supplemental LED lighting periods of 16 hours/day for commercial productivity (kg/m2/crop) was 167- 664% higher than under open field condition and 316-504% higher than hydroponic using natural light in a greenhouse Growing hydroponic lettuce under supplemental LED lighting on 16 hours/day LED was 24-30 times higher yield than hydroponic using natural light in greenhouse and 21-37 times higher than field condition

Keywords: light intensity, LED light, spectrum, baby vegetables, lighting time,

lettuce.

MỤC LỤC

Tóm tắt i

Summary ii

Lời cam đoan iii

Mục lục iv

Danh sách bảng vii

Danh sách hình xii

Danh sách từ viết tắt xiv

Chương 1 Giới thiệu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Những đóng góp mới của luận án 3

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

Chương 2 Tổng quan tài liệu 5

2.1 Khái quát về sản xuất cây trồng trong nhà 5

2.1.1 Khái niệm về sản xuất cây trồng trong nhà 5

2.1.2 Sơ lược quá trình hình thành và phát triển 5

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản 6

2.2 Ánh sáng với cây trồng 7

2.2.1 Vai trò của ánh sáng trong quang hợp 7

2.2.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến phát sinh hình thái cây trồng 9

2.2.3 Ảnh hưởng của quang phổ 13

2.2.4 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng 15

2.2.4 Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng 16

2.3 Ánh sáng LED trong sản xuất nông nghiệp 17

2.3.1 Lịch sử phát triển 17

2.3.2 Ưu điểm và hạn chế 19

2.4 Một số loại rau ăn lá thích hợp trồng trong các nhà máy sản xuất cây trồng 20

2.5 Một số kết quả nghiên cứu về ứng dụng đèn LED trong nông nghiệp 22

2.5.1 Trong nước 22

2.5.2 Trên thế giới 23

Chương 3 Phương pháp nghiên cứu 29

3.1 Phương tiện nghiên cứu 29

3.1.1 Thời gian và địa điểm 29

3.1.2 Vật liệu 29

3.2 Nội dung nghiên cứu 32

3.3 Phương pháp nghiên cứu 33

3.3.1 Nội dung 1: Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng

và năng suất của một số loại rau ăn lá 33

3.3.2 Nội dung 2: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất một số loại rau ăn lá 36

3.3.3 Nội dung 3: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng trong nhà lưới 38

3.3.4 Nội dung 4: Hiệu quả của mô hình trồng rau ăn lá trong nhà có sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống 40

3.4 Phương pháp thu thập và phân tích các chỉ tiêu 42

3.5 Phân tích số liệu 44

Chương 4 Kết quả và thảo luận 45

4.1 Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của

một số loại rau ăn lá 45

4.1.1 Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng

và năng suất của cải củ và cải phụng thu non 45

4.1.2 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng và năng suất xà lách thủy canh 61

4.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của một số loại rau ăn lá 72

4.2.1 Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian

chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất cải củ và cải phụng thu non 72

4.2.2 Thí nghiệm 4: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của xà lách thủy canh 90 4.3 Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng điều kiện nhà lưới 100

4.3.1 Thí nghiệm 5: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất cải củ và cải phụng thu non trồng

nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới 100

4.3.2 Thí nghiệm 6: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất xà lách trồng thủy canh nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới 109

4.4 Hiệu quả của mô hình trồng rau ăn lá có sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống 117

4.4.1 Thí nghiệm 7: Hiệu quả của mô hình sản xuất cải củ và cải phụng thu non thủy canh có sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống 117 4.4.2 Thí nghiệm 8: Hiệu quả của mô hình sản xuất xà lách thủy canh có sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống 127

Chương 5 Kết luận và đề xuất 136

5.1 Kết luận 136

5.2 Đề xuất 137

Tài liệu tham khảo 138

Phụ lục

4.9 Độ Brix và hàm lượng vitamin C cải củ thu non ảnh hưởng bởi

quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch 56 4.10 Độ Brix và hàm lượng vitamin C cải phụng thu non ảnh hưởng

bởi quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch 56 4.11 Hàm lượng chất khô và hàm lượng chlorophyll cải củ thu non ảnh

hưởng bởi quang phổ đèn LED thời điểm thu hoạch 58 4.12 Hàm lượng chất khô và hàm lượng chlorophyll cải phụng thu

non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED thời điểm thu hoạch 58 4.13 Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ thu non ảnh hưởng bởi

quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch

60

4.14 Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ phụng non ảnh hưởng bởi

quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch 60 4.15 Chiều cao cây xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua

4.19 Độ Brix và hàm lượng vitamin C của xà lách ảnh hưởng bởi

quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch 69

4.20 Hàm lượng chất khô và hàm lượng chlorophyll của xà lách ảnh

hưởng bởi quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch 70 4.21 Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ phụng non ảnh hưởng bởi

quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch 71 4.22 Chiều cao cây (cm) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 72 4.23 Chiều cao cây (cm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu

4.24 Số lá (lá/cây) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 74 4.25 Số lá trên cây (lá/cây) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu

4.26 Chiều dài lá (cm) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 76 4.27 Chiều dài lá (cm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với

4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 76 4.28 Chiều rộng lá (cm) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 77 4.29 Chiều rộng lá (cm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng đèn LED tại thời điểm thu hoạch 77 4.30 Đường kính gốc cải (mm) củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu

4.31 Đường kính gốc (mm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 79 4.32 Khối lượng cây cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 80 4.33 Khối lượng cây (g) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 80 4.34 Năng suất tổng (kg/m2) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 81 4.35 Năng suất tổng (kg/m2) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 83 4.36 Năng suất thương phẩm (kg/m2) củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 84 4.37 Năng suất thương phẩm cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu

sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu

4.38 Độ Brix (%) của cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 85 4.39 Độ Brix (%) của cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với

4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 86 4.40 Hàm lượng chất khô của cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 87

4.41 Hàm lượng chất khô (%) của cải phụng thu non ở 6 thời gian

chiếu sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời

4.42 Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu

sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm

4.43 Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải phụng thu non ở 6 thời gian

chiếu sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời

4.44 Chiều cao cây (cm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 90 4.45 Số lá xà lách (lá/cây) ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức cường

độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 91 4.46 Chiều dài lá (cm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 92 4.47 Chiều rộng lá (cm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 92 4.48 Diện tích lá (cm2/cây) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 93 4.49 Đường kính gốc (mm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức

cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 94 4.50 Khối lượng cây (g/cây) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 95 4.51 Năng suất tổng (kg/m2) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 96 4.52 Năng suất thương phẩm (kg/m2) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch 97 4.53 Độ Brix (%) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức cường

độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 98 4.54 Hàm lượng chất khô (%) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 98 4.55 Chỉ số màu sắc ΔE của lá xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4

mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch 99 4.56 Chiều cao cây cải củ thu non ở các mức thời gian bổ sung ánh

4.62 Chiều rộng lá cải củ thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng

4.63 Chiều rộng lá cải phụng thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng

4.64 Đường kính gốc và khối lượng cây cải củ thu non ở các thời gian

bổ sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch 104 4.65 Đường kính gốc và khối lượng cây cải phụng thu non ở các thời

gian bổ sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch 105 4.66 Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ thu non ở các thời gian bổ

sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch 107 4.67 Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ phụng non ở các thời gian

bổ sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch 108 4.68 Chiều cao cây xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác

4.69 Số lá xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau qua các

4.70 Chiều dài lá xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau

4.71 Chiều rộng lá xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau

4.72 Đường kính gốc xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác

4.73 Chiều dài thân chính xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng

4.74 Tỉ lệ khối lượng thân trên khối lượng cây của xà lách ở các thời

gian bổ sung ánh sáng đèn LED qua các thời điểm khảo sát 113 4.75 Tỉ lệ năng suất thương phẩm/năng suất tổng của xà lách ở các

thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau qua các thời điểm khảo sát 115 4.76 Độ Brix và hàm lượng chất khô xà lách ở các thời gian bổ sung

ánh sáng đèn LED tại thời điểm thu hoạch – 29 NSKG 116 4.77 Chiều cao cây cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời

4.78 Chiều cao cây cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các

4.79 Số lá cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất các thời điểm khảo sát 118 4.80 Số lá cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm

4.84 Chiều rộng lá cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các

4.85 Sản lượng tổng và sản lượng thương phẩm cải củ thu non ở 3 mô

hình sản xuất tại thời điểm thu hoạch 125 4.86 Sản lượng tổng và sản lượng thương phẩm cải phụng thu non ở

3 mô hình sản xuất tại thời điểm thu hoạch 125 4.87 Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ thu non ở 3 mô hình sản

4.88 Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ phụng non ở 3 mô hình

4.89 Một số chỉ tiêu vi sinh vật trên cải củ thu non ở 3 mô hình sản

4.90 Một số chỉ tiêu vi sinh vật trên cải phụng thu non ở 3 mô hình

4.91 Chiều cao cây xà lách ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm

4.92 Số lá xà lách ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm khảo sát 129 4.93 Chiều dài lá xà lách ở 3 mô hình sản xuất các thời điểm khảo sát 129 4.94 Chiều rộng lá xà lách ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm

4.95 Tỉ lệ năng suất thương phẩm/năng suất tổng của xà lách ở 3 mô

hình sản xuất qua các thời điểm khảo sát 133 4.96 Sản lượng xà lách thương phẩm ở 3 mô hình sản xuất qua các

4.97 Độ Brix và hàm lượng chất khô xà lách ở 3 mô hình sản xuất vào

4.98 Một số chỉ tiêu vi sinh vật trên xà lách ở 3 mô hình sản xuất tại

DANH SÁCH HÌNH

2.1 Khả năng hấp thu của chlorophyl a và chlorophyl b ở các bước

sóng ánh sáng khác nhau (Nguồn: Al-Alwani et al., 2016) 9 2.2 Bước sóng ánh sáng và các thụ quan ánh sáng (Higuchi and

2.6 Ảnh hưởng của các giai đoạn bổ sung ánh sáng LED đến sự hình

thành sắc tố đỏ ở xà lách Cherokee (Owen and Lopez, 2015) 25 2.7 Chiều cao cây chia và dạ yến thảo các nghiệm thức ánh sáng đèn

LED khác nhau (Wollaeger and Runkle 2014) 26 3.1 Đèn LED với quang phổ khác nhau được sử dụng trong thí nghiệm

(a) thanh đèn LED và bộ biến áp, (b) LED đỏ (c) LED xanh dương

3.2 Kệ 4 tầng trồng rau (a) bảng thiết kế và (b) kệ thực tế khi bố trí 30 3.3 Hạt giống (a) cải củ trắng, (b) cải xanh ngọt đuôi phụng và (c) xà

3.4 Một số dụng cụ và vật liệu cơ bản (a) chỉ xơ dừa (b) mụn dừa (c)

đất sét nung (d) rọ thủy canh chuyên dụng (e) khay trồng rau non 32

3.6 Các nghiệm thức quang phổ đèn LED và ánh sáng tự nhiên (a)

LED đỏ,(b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50%

đỏ:50% xanh dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED

70% đỏ:30% xanh dương, (g) LED 80% đỏ:20% xanh dươngvà

3.7 Hệ thống kệ thủy canh hồi lưu (a) kệ trồng và (b) tầng trồng rau 39 3.8 Tổng quan khu vực bố trí thí nghiệm bổ sung ánh sáng đèn LED

4.1 Đường kính gốc rau non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED tại

thời điểm thu hoạch (a) cải củ và (b) cải phụng 51 4.2 Khối lượng cây rau non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED tại

thời điểm thu hoạch (a) cải củ và (b) cải phụng 52 4.3 Năng suất cải củ thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED tại

4.4 Cải củ thu non ở 7 mức quang phổ tại thời điểm thu hoạch (a) LED

đỏ, (b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50% đỏ:50%

xanh dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED 70%

đỏ:30% xanh dương và (g) LED 80% đỏ:20% xanh dươngvà (h)

4.5 Năng suất cải phụng thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED

4.6 Cải phụng thu non ở 7 mức quang phổ tại thời điểm thu hoạch (a)

LED đỏ, (b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50%

đỏ:50% xanh dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED

70% đỏ:30% xanh dương và (g) LED 80% đỏ:20% xanh dương và

4.7 Xà lách ở 7 mức quang phổ tại thời điểm thu hoạch (a) LED đỏ,

(b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50% đỏ:50% xanh

dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED 70% đỏ:30%

xanh dương, (g) LED 80% đỏ:20% xanh dương và (h) ánh sáng tự

4.8 Đường kính gốc xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED ở thời

4.9 Khối lượng cây xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED ở thời

4.10 Năng suất xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED ở thời điểm

4.11 Cải củ thu non ở 6 mức thời gian chiếu sáng (a) 14/10, (b) 16/8,

(c) 20/4, (e) 22/2 và (f) 24/0 với cường độ ánh sáng 107 μmol.m

4.12 Cải phụng thu non ở 6 mức thời gian chiếu sáng (a) 14/10, (b)

16/8, (c) 20/4, (e) 22/2 và (f) 24/0 với cường độ ánh sáng 107

4.13 Năng suất của cải củ thu non ở 6 mức thời gian bổ sung ánh sáng

với 4 mức cường độ ánh sáng tại thời điểm thu hoạch 106 4.14 Năng suất của cải phụng thu non ở 6 mức thời gian bổ sung ánh

sáng với 4 mức cường độ ánh sáng tại thời điểm thu hoạch 106 4.15 Khối lượng cây xà lách ở 6 mức thời gian bổ sung ánh sáng với 4

4.16 Năng suất tổng xà lách ở 6 mức thời gian bổ sung ánh sáng với 4

4.17 Năng suất thương phẩm của xà lách ở 6 mức thời gian bổ sung ánh

4.18 Đường kính gốc rau non ở 3 mô hình sản xuất tại thời điểm thu

4.19 Khối lượng cây rau non ở 3 mô hình sản xuất tại thời điểm thu

4.20 Năng suất cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuấtthời điểm thu hoạch 124 4.21 Năng suất cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất tại thời điểm

4.22 Đường kính gốc xà lách ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch 130 4.23 Khối lượng cây xà lách ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch 131 4.24 Năng suất tổng xà lách ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch 132 4.25 Năng suất thương phẩm của xà lách ở 3 mô hình sản xuất tại thời

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa từ viết tắt

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tính từ năm 2007, hơn 50% dân số thế giới đang sinh sống ở các khu vực thành phố và theo ước tính đến năm 2050 con số này sẽ đạt hơn 70% Vì thế, ngày càng nhiều người bắt đầu quan tâm đến sản xuất nông nghiệp đô thị (Despommier, 2010) Nông nghiệp đô thị có hai lợi ích cơ bản Một là giúp người dân ở thành phố có thể thực hiện việc trồng trọt như một sở thích hoặc một hoạt động giải trí trong cuộc sống hằng ngày và hai là tạo nguồn thực phẩm

an toàn cho gia đình hoặc lớn hơn là cung cấp cho người dân sống gần đó (Kozai, 2016) Theo Lê Phúc Chi Lăng (2017), vấn đề an ninh lương thực và an toàn vệ sinh thực phẩm đã và đang được quan tâm tại thành phố lớn, đặc biệt đối với những người dân có thu nhập thấp tại các đô thị luôn đối mặt với nguy cơ ngộ độc do thói quen sử dụng các loại thực phẩm, nông sản không rõ nguồn gốc và không đảm bảo an toàn Trước những thực trạng đó, nhiều người dân trong thành phố đã tận dụng sân thượng hay ban công để trồng rau trong thùng xốp hoặc khay nhựa nhằm tạo ra nguồn rau an toàn cho gia đình sử dụng Tuy nhiên, với diện tích trồng nhỏ hẹp lại thêm thiếu ánh sáng mặt trời nên đã gây ra rất nhiều khó khăn cho người trồng

Trong khi đó, trên thế giới các nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo trong lĩnh vực trồng trọt đã được quan tâm từ những năm 1990 (Massa and Norrie, 2015) Đèn LED được xem là một nguồn ánh sáng nhân tạo tối ưu trong

việc thay thế ánh sáng mặt trời cho cây quang hợp (Shimizu et al., 2011) Đèn

LED có nhiều ưu điểm nổi bật như tiêu hao ít điện năng, kích thước nhỏ, tuổi thọ kéo dài và nhiệt lượng tỏa ra ra thấp hơn các loại đèn huỳnh quang và đèn

cao áp (Gupta and Jatothu, 2013, Tewolde et al., 2016) Quan trọng hơn là công

nghệ đi-ốt phát sáng (LED) có thể tạo ra các bước sóng đơn sắc xanh dương và

đỏ phù hợp cho sự hấp thu tối đa ánh sáng của chlorophyll a và chlorophyll b

trong hệ thống quang hợp của cây trồng (Shimokawa et al., 2014), đồng thời

hạn chế được sự lãng phí điện năng do không tạo ra các bước sóng không cần

thiết cho quang hợp (Mitchell et al., 2012) nên đèn LED đã và đang được ứng

dụng trong sản xuất ở nhiều quốc gia có nền nông nghiệp tiên tiến (Stutte, 2009)

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong sản xuất nông nghiệp đang bắt đầu được chú trọng phát triển Các nghiên cứu chủ yếu liên quan đến ứng dụng ánh sáng đèn LED trong nuôi cấy mô (Nguyễn

Thanh Phương và ctv., 2014, Hoàng Thanh Tùng và ctv., 2015, Nguyễn Khắc Hưng và ctv., 2016), tác động quang kỳ trên hoa cúc (Nguyễn Bá Nam và ctv.,

2014) và ứng dụng xử lý ra hoa trên cây thanh long (Lê Văn Bé và ctv., 2014)

Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về ứng dụng đèn LED trên cây rau, đặc biệt là nhóm rau ăn lá Các loại rau ăn lá chủ yếu thuộc nhóm cây ngắn ngày, tương đối dễ trồng và rất được ưa thích trong các bữa ăn hằng ngày của các gia đình người Việt Rau ăn lá có thể được trồng với mật độ cao, chiều cao cây thấp nên phù hợp với sản xuất rau đô thị, sản xuất rau theo hướng nhiều tầng nhằm khai thác không gian trên cao để tăng sản lượng rau trên đơn một vị diện tích (Kozai, 2013) Việc xác định cụ thể quang phổ, cường độ và thời gian chiếu đèn LED để thay thế ánh sáng mặt trời trong việc thúc đẩy tăng trưởng, gia tăng năng suất và chất lượng các loại rau ăn lá là rất quan trọng để có thể phát triển sản xuất nông nghiệp đô thị, đáp ứng nhu cầu tự sản xuất rau của người dân Chính vì thế việc nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong sản xuất rau ăn là hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Ứng dụng được nguồn ánh sáng đèn LED trong việc thay thế hoặc bổ sung cho ánh sáng mặt trời để trồng rau ăn lá nhiều tầng trong điều kiện phòng tối hoặc nhà lưới

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

- Xác định quang phổ, cường độ và thời gian chiếu sáng đèn LED phù hợp cho sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách thu hoạch giai đoạn trưởng thành trong điều kiện phòng tối

- Xác định thời gian chiếu sáng bổ sung đèn LED phù hợp cho sinh trưởng, năng suất của cải củ, cải phụng thu non và xà lách thu hoạch giai đoạn trưởng thành trồng nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tập trung vào các nội dung sau:

- Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của một số loại rau ăn lá

- Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của một số loại rau ăn lá

- Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới

- Đánh giá hiệu quả của mô hình trồng rau ăn lá trong nhà có sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: đề tài nghiên cứu trên đối tượng ánh sáng nhân tạo LED để sản xuất rau ăn lá

- Phạm vi nghiên cứu: đề tài tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của tổ hợp quang phổ, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED, thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sự sinh trưởng, năng suất và chất lượng một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng trong điều kiện phòng tối và nhà lưới

Các nghiên cứu được thực hiện từ tháng 5/2016 đến tháng 1/2019 tại Nhà lưới Nghiên cứu Rau sạch, khoa Nông Nghiệp, trường Đại học Cần Thơ Nghiên cứu này chủ yếu phục vụ cho sản xuất rau quy mô hộ gia đình và có thể ứng dụng để sản xuất quy mô công nghiệp

1.5 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Luận án đã xác định được:

+ Đèn LED 80% đỏ:20% xanh dương (quang phổ) phù hợp cho sinh trưởng, năng suất cải củ trắng, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành + Khi sử dụng đèn LED 80% đỏ:20% xanh dương có cường độ 107 μmol.m-2.s-1 chiếu sáng theo chu kỳ ngày/đêm là 20/4 cho kết quả sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành hiệu quả hơn các nghiệm thức khác

+ Với điều kiện trồng nhiều tầng trong nhà lưới, cải củ, cải phụng thu non

và xà lách khi được bổ sung đèn LED 80% đỏ:20% xanh dương với cường độ

107 μmol.m-2.s-1 chiếu sáng theo chu kỳ ngày/đêm là 16 giờ/ngày đêm cho hiệu quả sản xuất tốt nhất

- Luận án còn thể hiện được những ưu điểm nổi bật của việc ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong sản xuất rau nhiều tầng so với các mô hình sản xuất truyền thống Là tiền đề để xây dựng, phát triển các mô hình ứng dụng đèn LED trồng rau trong sản xuất thương mại

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

- Kết quả này có thể sử dụng bổ sung giáo trình giảng dạy và tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của ánh sáng nhân tạo đến một

số loại rau ăn lá

* Về thực tiễn

Kết quả luận án:

- Đáp ứng được nhu cầu tự sản xuất một số loại rau ăn lá của người dân ở các khu đô thị, thành phố lớn khi thiếu không gian canh tác và điều kiện ánh sáng tự nhiên

- Góp phần quan trọng trong việc xây dựng quy trình sản xuất rau non và

xà lách trưởng thành theo hướng sản xuất nhiều tầng nhằm tăng sản lượng rau trên một đơn vị diện tích

- Là nền tảng quan trọng cho các cơ sở ứng dụng ánh sáng LED trong sản xuất rau nhiều tầng theo quy mô sản xuất thương mại

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 KHÁI QUÁT VỀ SẢN XUẤT CÂY TRỒNG TRONG NHÀ

2.1.1 Khái niệm về sản xuất cây trồng trong nhà

Thuật ngữ “plant factory” được sử dụng chủ yếu ở châu Á, để mô tả một

cơ sở sản xuất nông nghiệp có nguyên tắc hoạt động như một cơ sở sản xuất công nghiệp điển hình Các cơ sở này được thiết kế cẩn thận, đầy đủ các khu vực tương ứng cho từng giai đoạn phát triển của cây trồng Điều kiện môi trường bên trong cơ sở sản xuất như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng, nồng độ CO2 và các tiêu chuẩn về dung dịch dinh dưỡng luôn được kiểm soát theo đúng yêu cầu Các cơ sở còn được trang bị các hệ thống cảm biến điều khiển quá trình tự động

hóa một số công đoạn trong nhà máy (Ting et al., 2016)

Mô hình nhà máy sản xuất cây trồng là một nhà máy sản xuất bao gồm 6 thành phần chính: có cấu trúc cách nhiệt và gần như kín khí hoàn toàn, hệ thống

kệ trồng rau thủy canh từ 4-20 tầng được trang bị thiết bị chiếu sáng như đèn huỳnh quang hoặc đèn LED, có hệ thống điều hòa và quạt lưu thông không khí,

có hệ thống cung cấp CO2, hệ thống cung cấp dinh dưỡng thủy canh và thiết bị kiểm soát môi trường Đối với mô hình này, công nhân chỉ được vào làm việc sau khi vệ sinh cá nhân sạch sẽ và sử dụng trang phục đúng quy định (Kozai, 2007)

Trong mô hình này, sản phẩm tạo ra hoàn toàn sạch vì không sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật nhờ quá trình kiểm soát tối ưu điều kiện không khí và vùng

rễ của cây trồng, các sản phẩm rau ăn lá có thể được sử dụng trực tiếp mà không cần phải rửa trước khi chế biến Đồng thời, thời hạn sử dụng của rau được trồng trong các nhà máy sau khi thu hoạch sẽ tăng gấp đôi so với rau được trồng trong nhà kính, vì hàm lượng vi sinh vật thấp hơn 300 CFU/g tương đương 1/100 đến 1/1.000 so với trồng rau trong điều kiện ngoài đồng sau khi rửa với nước máy (Kozai, 2013)

2.1.2 Sơ lược quá trình hình thành và phát triển

Vào những năm 1980, mô hình sử dụng ánh sáng nhân tạo để trồng rau trong nhà đầu tiên được thành lập tại Nhật Bản Ban đầu các cở sở sản xuất chủ yếu sử dụng nguồn ánh sáng đèn cao áp HID (High-Intensity Discharge) hay còn gọi là đèn xenon bởi vì khí xenon được sử dụng bên trong đèn Sau đó đến năm 1990, nhiều trang trại sử dụng ánh sáng nhân tạo để trồng xà lách bắt đầu được thành lập, ở giai đoạn này hệ thống trồng rau trên kệ nhiều tầng bắt đầu được quan tâm để tăng sản lượng rau trên một đơn vị diện tích Đồng thời nguồn

ánh sáng đèn huỳnh quang (FL) dần áp dụng để thay thế đèn HID Tuy nhiên đến những năm 2000, nguồn ánh sáng LED bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng

và thay thế nguồn ánh sáng đèn huỳnh quang trong các mô hình sản xuất rau trong nhà Với hiệu quả mà mô hình sản xuất rau trong nhà mang lại, các mô hình sản xuất này được gia tăng mỗi năm và đặc biệt đến năm 2009, mô hình này mới bắt phát triển bùng nổ tại Nhật Bản và vẫn tiếp tục gia tăng cho đến ngày hôm nay (Hayashi, 2016)

Bên cạnh Nhật Bản, Đài Loan cũng là quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này

từ năm 2010 Ban đầu, chỉ có 1 trường Đại học và khoảng 13 công ty tham gia nghiên cứu, tuy nhiên con số này đã tăng lên 14 trường Đại học và gần 100 công

ty tư nhân tham gia vào năm 2015 (Fang, 2016) Công nghệ ứng dụng nguồn ánh sáng nhân tạo để sản xuất rau trong nhà là một ngành công nghiệp mới hiện nay Nhờ những tiến bộ khoa học kỹ thuật, việc sản xuất rau trong nhà có thể giảm thiểu các rủi ro trong sản xuất như điều kiện bất lợi của môi trường tự nhiên và sâu bệnh hại, đồng thời sản phẩm tạo ra sẽ an toàn và chất lượng hơn Mặc dù vấn đề lợi nhuận kinh tế không phải lúc nào cũng được đảm bảo Tại Nhật Bản chỉ có khoản 25-30% mô hình sản xuất rau trong nhà có thể kiếm được lợi nhuận Hiện tại, số lượng các công ty tham gia nghiên cứu và ứng dụng đang tăng nhanh ở Đài Loan và Nhật Bản (Kozai, 2014)

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản

2.1.3.1 Hệ thống trang thiết bị

Trong hệ thống sản xuất rau trong nhà, môi trường phát triển của cây trồng được kiểm soát cẩn thận bao gồm các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, CO2 và dung dịch dinh dưỡng Thủy canh là một phương pháp canh tác thường được sử dụng trong các nhà máy trồng cây, nơi cây được trồng mà không cần đất, mà thay vào đó là dung dịch dinh dưỡng So với trồng cây trên đất, thủy canh có lợi thế về tiết kiệm nước tưới và chất dinh dưỡng, cũng như kiểm soát hoàn toàn hơn các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của cây Việc kiểm soát toàn bộ điều kiện bên trong hệ thống là vô cùng quan trọng để đảm bảo sự sinh trưởng, năng suất của cây và tính ổn định của mô hình Các hệ thống cảm biến nhiệt độ, ẩm độ, nồng độ CO2… được trang bị để thu thập các thông tin nhằm kịp thời điều chỉnh, xử lý khi có những vấn đề phát sinh, đảm bảo cây trồng

luôn được đặt trong điều kiện tối ưu nhất cho sinh trưởng và phát triển (Chen et

al., 2016)

2.1.3.2 Nguồn sáng nhân tạo

Đèn huỳnh quang, đèn Natri cao áp và đèn LED thường được sử dụng làm nguồn chiếu sáng đơn lẻ hoặc nguồn chiếu sáng hỗn hợp cho các nhà máy sản

xuất cây trồng (Zhang et al., 2015) Trong những năm gần đây, đèn LED đang

là sự lựa chọn tốt nhất trong các nguồn ánh sáng nhân tạo hiện có Đèn LED có khả năng giảm chi phí điện năng tiêu thụ nhờ quá trình chuyển đổi hiệu quả điện năng sang các bước sóng ánh sáng phù hợp cho cây trồng, đồng thời giảm được chi phí làm mát cho các nhà máy sản xuất nhờ lượng nhiệt tỏa ra thấp hơn các nguồn sáng nhân tạo khác Bên cạnh đó, thiết kế đèn LED nhỏ gọn phù hợp với việc lắp đặt theo thiết kế trồng cây nhiều tầng Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cao hiện đang là một trở ngại lớn của việc phát triển ứng dụng đèn LED

trong sản xuất nông nghiệp (Ting et al., 2016)

2.1.3.3 Đối tượng cây trồng

Thông thường các loại cây được chọn để canh tác trong các nhà máy sản xuất có chiều cao ngắn hơn khoảng 30 cm, vì khoảng cách giữa các tầng là khoảng 40 cm để khai thác tối đa không gian trên cao Cây thích hợp cho sản xuất thương mại là những cây phát triển tốt ở cường độ ánh sáng tương đối thấp, chịu được mật độ trồng cao và hầu hết các bộ trên cây đều có thể sử dụng được hoặc bán được với giá trị kinh tế cao Như vậy, các nhóm rau ăn lá, cây thảo mộc, cây dược liệu là những loại cây thường được trồng trong các hệ thống sản xuất rau trong nhà Đối với nhóm cây lương thực như lúa mì, lúa gạo, khoai tây thường không phù hợp sản xuất trong các hệ thống này vì không mang lại hiệu quả kinh tế Ngoài ra, các hệ thống trồng rau trong nhà với ánh sáng nhân tạo còn được sử dụng để sản xuất cây giống nhằm mục đích thương mại (Kozai, 2013)

2.2 ÁNH SÁNG VỚI CÂY TRỒNG

2.2.1 Vai trò của ánh sáng trong quang hợp

Nguồn năng lượng chủ yếu của sinh vật trên trái đất là năng lượng bức xạ mặt trời Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời sự sống đã phát sinh, duy trì và phát triển Ánh sáng là nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp, đồng thời đó cũng là nguồn tín hiệu kích hoạt quá trình quang hóa và các quá trình sinh lý khác Cây xanh chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học thông qua quá trình quang hợp, sử dụng ánh sáng làm nguồn thông tin cho quang

kỳ (chiều dài ngày/đêm), quang hướng động (tính hướng sáng) và quang phát sinh hình thái Những phản ứng này phụ thuộc vào cường độ, chất lượng và thời

gian chiếu sáng (Dương Tấn Nhựt và ctv., 2014) Ánh sáng được hấp thụ, phản

xạ hoặc truyền đi khi đến được thực vật Một số photon được sử dụng trong các

hệ thống quang hóa ở lục lạp để sản sinh ra các ATP và NADPH cũng như giúp cho quá trình tổng hợp hình thành carbohyrate, trong khi ánh sáng còn lại được hấp thu và chuyển thành nhiệt (Kozai and Zhang, 2016)

Quá trình tăng trưởng và phát triển của cây trồng được điều chỉnh bởi chất lượng ánh sáng (màu, bước sóng), cường độ và thời gian chiếu sáng (Pedro, 2006) Các yếu tố này đều có ảnh hưởng mạnh mẽ tới cây trồng, bao gồm độ lớn cây trồng, cách tăng trưởng, sự chuyển tiếp sang giai đoạn trổ hoa, năng suất

thực tế (Chen et al., 2004) Trong thực vật thượng đẳng có hai nhóm sắc tố sử

dụng nguồn ánh sáng để thực hiện quá trình quang hợp là diệp lục (chlorophyll)

và carotenoid Trong đó diệp lục là sắc tố chính đóng vai trò quan trọng nhất Diệp lục tố có phổ hấp thụ rất rộng, trải suốt phổ ánh sáng nhìn thấy với 2 cực đại ở cuối hai đầu dãy của phổ này Tuy nhiên với diệp lục tố nhóm a

(chlorophyll a) có cực đại khác với nhóm b (chlorophyll b) Các sắc tố khác có cực đại hấp thụ nằm giữa các cực đại của chlorophyll a và chlorophyll b Trong

quang phổ hấp thụ của diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thụ mạnh nhất tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại Đó là vùng ánh sáng đỏ với cực đại là 662

nm và vùng ánh sáng xanh tím với cực đại là 430 nm (Lê Văn Hòa và Nguyễn Bảo Toàn, 2005) Trung bình một lá cây ngoài đồng phản xạ 10% các tia sáng, hấp thu 70% và truyền lan qua các lớp tế bào lá xuống dưới 20% Trong số 70% ánh sáng hấp thụ, quang hợp chỉ sử dụng 1% (chủ yếu là các tia sáng xanh dương

và đỏ, phần lớn năng lượng dùng để thoát hơi nước) Vì vậy có thể nhận thấy bước sóng hữu ích cho quang hợp của cây là ánh sáng màu xanh dương có bước sóng từ 430-460 nm và ánh sáng màu đỏ 630-720 nm (Hình 2.1) Đối với hai vùng ánh sáng này, nếu cùng cường độ chiếu sáng chiếu đến lá thì vùng ánh sáng đỏ có lợi cho quang hợp hơn ánh sáng xanh dương Theo định luật quang hóa thì tốc độ của phản ứng quang hóa không phụ thuộc vào độ lớn của năng lượng quang tử mà chỉ phụ thuộc vào số quang tử nhận được Năng lượng của lượng tử ánh sáng đỏ nhỏ hơn nhiều so với ánh sáng xanh dương vì bước sóng ánh sáng đỏ dài hơn ánh sáng xanh dương Vì vậy, khi có một cường độ chiếu sáng như nhau thì số quang tử của ánh sáng đỏ luôn nhiều hơn ánh sáng xanh dương Do đó phản ứng do ánh sáng đỏ kích thích nhiều hơn ánh sáng xanh

dương (Hoàng Minh Tấn và ctv., 2006) Diệp lục có vai trò hấp thụ năng lượng

ánh sáng mặt trời, chuyển thành dạng năng lượng kích thích điện tử của phân tử diệp lục Diệp lục có vai trò vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng

Từ phân tử diệp lục hấp thu ánh sáng đầu tiên cho đến trung tâm phản ứng của quang hợp là phải qua một hệ thống cấu trúc trong màng thilacoid gồm rất nhiều phân tử diệp lục khác nhau Năng lượng ánh sáng phải truyền qua các phân tử diệp lục để đến được trung tâm phản ứng (P700) Tham gia biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học tại trung tâm phản ứng P700 nhờ quá trình quang phosphoryl hóa để hình thành nên ATP và NADPH (Nguyễn Đức Trung

Kiên và ctv., 2014)

Nhóm sắc tố carotenoid là nhóm sắc tố có màu vàng, da cam Chúng là các sắc tố vệ tinh của diệp lục Quang phổ hấp thụ của nhóm sắc tố này là ở vùng ánh sáng xanh dương có bước sóng 451-481 nm Khả năng hấp thụ ánh sáng của carotenoid là do hệ thống liên kết đơn, đôi quyết định (Nguyễn Đức Trung

Kiên và ctv., 2014)

Hình 2.1 Khả năng hấp thu của chlorophyl a và chlorophyl b ở các bước sóng

ánh sáng khác nhau (Nguồn: Al-Alwani et al., 2016)

2.2.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến phát sinh hình thái cây trồng

Theo Higuchi and Hisamatsu (2016), ánh sáng không chỉ được sử dụng cho quá trình quang hợp của cây trồng mà ánh sáng còn là tín hiệu điều chỉnh

sự sinh trưởng và phát triển trong suốt chu kì sống của chúng Khi chất lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng thay đổi sẽ kéo theo những biến đổi về hình thái của thực vật Có thể được nhận thấy qua sự thay đổi cấu trúc và hình dáng của thực vật như sự nẩy mầm của hạt, sự khởi phát hoa, mở rộng kích thước lá, tránh các cây lân cận, vươn dài thân và tổng hợp sắc tố Các tín hiệu ánh sáng được tiếp nhận bởi các thụ quang, ảnh hưởng đến đồng hồ sinh học và trực tiếp kích hoạt các phản ứng sáng

* Các thu quang và chức năng của chúng

Ánh sáng là một yếu tố quan trọng cho sự tăng trưởng và phát triển của cây Cây trồng không chỉ cần cường độ ánh sáng mà còn cần chất lượng và màu

sắc ánh sáng (Zhang and Folta, 2012) Các thụ quang của cây trồng sẽ được kích

hoạt theo các bước sóng ánh sáng khác nhau (Liu, 2012, Hogewoning et al.,

2010) (Hình 2.2) Có ba thụ quang cảm nhận kích thích ánh sáng chính của cây

trồng là phytochrome, cryptochrome và phototropin (Chen et al., 2004)

Hình 2.2 Bước sóng ánh sáng và các thụ quan ánh sáng (Higuchi and

Hisamatsu, 2016)

- Cryptochrome (Cry): Cryptochrome là bào quan nhận kích thích từ ánh

sáng xanh dương, có cấu trúc gần giống như enzyme quang phân ly ADN, nhưng lại không thể hiện khả năng này Có 2 loại crytopchrome là Cry 1 và Cry 2

Cryptochrome tiếp nhận ánh sáng xanh dương và liên quan đến nhiều quá trình sinh lý trong cây trồng như ngăn chặn sự kéo dài thân bên dưới lá mầm, kích

thích mở khí khổng, tổng hợp sắc tố và tác động đến quá trình ra hoa (Yu et al.,

2010) Cry 1 có cấu trúc protein ổn định trong ánh sáng, nhưng Cry 2 lại có cấu trúc protein dễ bị biến đổi bởi điều kiện sáng Cry 2 thúc đẩy quá trình ra hoa trên cây trồng,được tích lũy trong điều kiện tối và bị biến đổi trong điều kiện

có sự xuất hiện của ánh sáng xanh dương (Lin et al., 1998, Mockler et al., 2003)

- Phototropin (Phot): Phototropin lần đầu tiên được xác định là một thụ

quang tiếp nhận ánh sáng màu xanh dương, nhưng cấu trúc hoàn toàn khác biệt

với cryptochrome (Huala et al., 1997) Có 2 dạng phototropin là Phot 1 và Phot

2 (Kagawa et al., 2001) Khi ánh sáng xanh dương tác động lên protein của phototropin trên màng tế bào thì tại đó sẽ xảy ra sự phosphate hóa và kéo theo hàng loạt quá trình khác nhau trong tế bào Phototropin giúp thực vật điều tiết các quá trình như: hướng quang, tái phân bố lục lạp, kích thích

mở khí khổng (Briggs and Christie 2002, Christie 2007) (Hình 2.3) Phot 1 hoạt động trong nhiều điều kiện cường độ ánh sáng khác nhau Trong khi

Bước sóng (nm)

Xanh dương

xa

đó chức năng của Phot 2 chủ yếu được phát huy trong điều kiện cường độ chiếu sáng cao (Christie et al., 2015)

Hình 2.3 Chức năng của phototropins (Christie, 2007)

- Phytochrome (Phy): Hầu hết cây trồng thụ cảm ánh sáng đỏ, đỏ xa và xanh dương thông qua các bào quan cảm nhận ánh sáng (photoreceptors): phytochrome nhận ra ánh sáng đỏ và đỏ xa, trong khi đó ZLP/FKF/LKP/ADO, cryptochrome và phototropin tiếp nhận được ánh sáng xanh dương Sự đáp ứng điển hình của phytochrome với ánh sáng đỏ và đỏ xa được tìm ra bởi Borthwick

et al (1952) Phytochrome được mô tả như là một protein sắc tố

(chromoprotein) (Butler et al., 1959)

Phản ứng chiếu sáng trong thực vật được kích hoạt bởi những thay đổi trong một thụ thể protein sắc tố gọi là phytochrome, một loại protein được tìm thấy trong nhân và tế bào chất của tế bào thực vật với một nồng độ rất nhỏ Phytochrome có ở hầu hết các loài thực vật và có vai trò trong tất cả các giai đoạn phát triển của thực vật từ lúc hạt nẩy mầm cho đến lúc nở hoa Phytochrome giúp cho thực vật có khả năng nhận biết được vị trí nhận nhiều ánh sáng, phân biệt sáng hoặc tối, ngày hoặc đêm, cũng như nhận biết được chúng đang ở trong bóng râm hay ngoài ánh sáng Do đó, chúng được xem như

mắt của các loài thực vật (Borthwick et al., 1952)

Hầu hết các loài thực vật đều mọc vươn về phía có ánh sáng mặt trời, điều này giúp cho thực vật hấp thu khí CO2 trong quá trình quang hợp và sử dụng cả carbon và oxy để tạo ra các carbohydrate Phytochrome có khả năng kiểm soát được quá trình thay đổi của môi trường ánh sáng tự nhiên Do đó, Phytochrome trong thực vật thay đổi cấu trúc trong quá trình bức xạ ánh sáng, các tín hiệu này sẽ được truyền đến các tế bào Cũng như hầu hết các protein khác,

Ổn định mARN

Phân bố lục lạp

phytochrome có cấu trúc phân tử ba chiều Cấu trúc của protein thay đổi trong quá trình phytochrome hấp thụ ánh sáng Các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu hiện tượng thay đổi cấu trúc này xảy ra trong cơ thể các loài vi khuẩn (Borthwick

et al., 1952).

Vào những năm 1950, các nghiên cứu thử nghiệm về ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng đến sự nẩy mầm của hạt xà lách được thực hiện Kết quả các nghiên cứu cho thấy, ánh sáng đỏ có tác động thúc đẩy quá trình nẩy mầm của hạt xà lách Trong khi đó ánh sáng đỏ xa thì cho kết quả ngược lại (Borthwick

et al., 1952) Phytochrome là nơi chính tiếp nhận ánh sáng tác động đến quá

trình nẩy mầm Có 2 dạng phytochorome đó là phytochrome đỏ (Pr) và phytochrome đỏ xa (Pfr) Hai dạng phytochrome này có thể chuyển đổi qua lại, phytochrome đỏ khi được hấp thu ánh sáng đỏ sẽ chuyển đổi thành phytochrome

đỏ xa và ngược lại khi phytochrome đỏ xa hấp thu được ánh sáng đỏ xa sẽ chuyển thành dạng phytochrome đỏ (Hình 2.4) Tỉ lệ phytochorome đỏ xa cao trong điều kiện có nhiều ánh sáng đỏ và ngược lại khi cây trồng nhận được ít ánh sáng đỏ thì tỉ lệ phytochorome đỏ xa trong cây thấp Đối với những cây trồng trong điều kiện thiếu ánh sáng, tỉ lệ phytochorome đỏ xa trong cây thấp dẫn đến thân và cuống lá bị kéo dài và sẽ ra hoa sớm (Casal, 2013) Sự ảnh hưởng của các bước sóng ánh sáng khác nhau đến cây trồng có thể được giải thích thông qua tỉ lệ phytochorome đỏ xa trong cây

Ghi chú: R: red - ánh sáng đỏ, FR: far red - ánh sáng đỏ xa, Pr: phytochrome đỏ, Pfr: phytochrome đỏ xa.

Hình 2.4 Sự chuyển đổi qua lại của phytochrome đỏ và đỏ xa trong điều

kiện tiếp nhận ánh sáng đỏ và đỏ xa (Higuchi and Hisamatsu, 2016)Trong những năm 1980, các nghiên cứu về phân tử gen đã xác định được

5 gen phytochrome (Phy A, B, C, D và E) trên cây Arabidopsis - một loài cỏ

thuộc họ thập tự (Clack et al., 1994) Dựa vào tính ổn định của các protein trong

điều kiện ánh sáng, các phytochrome được phân loại thành 2 nhóm chính (nhóm

I và nhóm II) Phy A được xếp vào nhóm I, được tích tụ trong điều kiện tối và nhanh chóng biến đổi khi có ánh sáng Phy B, C, D và E thuộc nhóm II và được tích lũy cả trong điều kiện tối và sáng (Sharrock and Clack, 2002) Trong đó

Phy B, D và E liên quan đến hiện tượng tránh bóng của cây trồng Phy C làm trung gian tiếp nhận ánh sáng đỏ để điều chỉnh chức năng ngăn chặn sự vàng úa

của cây con (Franklin et al., 2003, Monte et al., 2003) Đối với quá trình ra hoa,

Phy A là trung gian tiếp nhận ánh sáng xanh dương và đỏ xa trong việc thúc đẩy quá trình ra hoa ở cây trồng Trong khi đó, Phy B là trung gian tiếp nhận ánh

sáng đỏ để ngăn chặn quá trình ra hoa (Goto et al., 1991, Franklin and Quail,

2010)

2.2.3 Ảnh hưởng của quang phổ

Từng bước sóng ánh sáng khác nhau ảnh hưởng lên từng giai đoạn phát triển của cây trồng Hệ thống quang hợp phản ứng rõ rệt nhất với ánh sáng đỏ (bước sóng 600-680 nm) và ánh sáng xanh (bước sóng 380-480 nm) (Roberto, 2003) Chính vì thế, khi nghiên cứu về ảnh hưởng của bước sóng đèn LED đến

sự sinh trưởng và năng suất cây trồng, hầu hết các tác giả đều sử dụng các bước sóng thuộc ánh sáng đỏ và xanh dương

2.2.3.1 Ánh sáng xanh dương

Ánh sáng xanh dương có bước sóng từ 400-500 nm, có khả năng kìm hãm

sự kéo dài thân của nhiều loại cây trồng (Cosgrove, 1981) Việc kết hợp với ánh sáng đỏ là điều cần thiết để cây trồng không bị kéo dài quá mức (Randall and Lopez, 2014) Ánh sáng xanh khi có hoặc không có ánh sáng đỏ có thể ảnh hưởng đến mật độ và khẩu độ của khí khổng Tuy nhiên, khi thêm một lượng ánh sáng xanh dương nhất định vào ánh sáng đỏ thì độ mở của khí khổng gia tăng đáng kể so với ánh sáng đỏ đơn sắc Sự gia tăng độ mở khí khổng làm tăng hấp thu CO2 dẫn đến tăng sự hoạt động của quá trình quang hợp (Kinoshita et

al., 2001)

Yêu cầu về ánh sáng xanh dương cần thiết cho sự phát triển bình thường của cây trồng biến đổi theo từng loài Sự đáp ứng lại của cây trồng đối với ánh

sáng xanh dương lần đầu tiên được đưa ra bởi Wheeler et al (1991), đồng thời

đã chứng minh được có sự liên hệ của chiều dài thân cây đậu nành với hàm lượng ánh sáng xanh dương Ngoài ra, với cường độ ánh sáng xanh dương khoảng30 µmol.m-2.s-1 sẽ ngăn chặn sự phát triển của thân và kéo dài lóng Kết

quả tương tự cũng được tìm thấy trong nghiên cứu của Yorio et al (1998), trên

các đối tượng lúa mì, khoai tây, đậu nành, xà lách và cải củ để đảm bảo sự sinh trưởng và phát triển bình thường thì cần phải cung cấp tối thiểu cường độ ánh sáng xanh dương là 30 µmol.m-2.s-1

Phổ ánh sáng 450 nm cho phép cryptochrome và phototropin phản ứng trong cây trồng Cryptochrome làm thay đổi nhịp sinh học (chuyển từ chu trình

hô hấp sang chu trình quang hợp) Protein phototropin kích thích cây mở khí

khổng, uốn cong về phía ánh sáng giúp phát triển thân cây và hình thành chất diệp lục Bước sóng ánh sáng xanh dương còn kích thích tăng trưởng thực vật thông qua hình thành rễ mạnh mẽ và quang hợp với cường độ cao Phổ ánh sáng này được dùng trong giai đoạn cây giống, cây non và trong giai đoạn sinh trưởng Nếu muốn cây ngừng phát triển thì bước sóng này phải được giảm bớt hoặc loại bỏ (Cosgrove, 1981)

2.2.3.2 Ánh sáng đỏ

Ánh sáng đỏ có bước sóng trong khoảng 600-700 nm Một trong những vai trò phổ biến nhất của ánh sáng đỏ là tham gia vào hoạt động sinh lý quan trọng của quang hợp Cụ thể, ánh sáng đỏ của đèn LED ở bước sóng 660 nm,

rất gần với đỉnh hấp thụ của diệp lục tố (Massa et al., 2008) Do đó, đèn LED

màu đỏ được sử dụng để thúc đẩy hiệu quả hoạt động quang hợp, dẫn đến tăng sinh khối và năng suất tổng Tuy nhiên, ánh sáng đỏ đơn sắc không đủ để có thể làm cho cây trồng đạt được năng suất và chất lượng tối ưu Trong điều kiện chỉ

có ánh sáng đỏ đơn sắc, trục hạ diệp ở nhiều loại cây hai lá mầm bị vươn dài

quá mức (Hoenecke et al., 1992) Nhưng khi kết hợp với ánh sáng xanh (400

-500 nm) lại có thể kiểm soát được sự dãn dài của thân, cuống lá và ngăn chặn các bất thường hình thái khác so với khi chỉ sử dụng duy nhất ánh sáng đỏ

(Goins et al., 1998, Kigel and Cosgrove, 1991)

Protein phytochrome có trong hầu hết các loại thực vật rất nhạy cảm với ánh sáng đỏ và đỏ xa Ánh sáng đỏ kích thích phytochrome chuyển đổi thành phytochrome FR (PFR) Thực vật có hoa dựa vào protein này để điều chỉnh thời điểm ra hoa (dựa vào nồng độ PFR) và thiết lập nhịp sinh học, ngoài ra nó cũng điều tiết các phản ứng khác như sự nẩy mầm của hạt giống, kéo dài thân cây, kích thước, hình dạng và số lượng lá

Ánh sáng đỏ là bước sóng quan trọng nhất đối với quá trình quang hợp, ra hoa, đậu trái Được dùng để mở rộng chu kì ánh sáng, kích thích cây ra hoa cho cây ngày dài (cây thanh long, hoa lay ơn,…) hoặc ngăn chặn ra hoa ở cây ngày ngắn (hoa cúc…) Đặc biệt với ánh sáng đỏ phát ra từ đèn Natri cao áp rất tốt cho sự ra hoa và hình thành trái (Roberto, 2003) Để tạo điều kiện tối hảo cho

sự sinh trưởng của cây trồng, yếu tố quyết định nằm ở chỗ chọn được nguồn sáng thích hợp về cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng và màu sắc ánh sáng

(Roberto, 2003 và Sirtatutas et al., 2014)

Ở một số loài thực vật như xà lách, thuốc lá, ánh sáng là yếu tố quan

trọng tác động đến quá trình nẩy mầm của hạt Theo Borthwick et al (1952) đã

chứng minh rằng, ánh sáng đỏ (600-700 nm) thúc đẩy sự nẩy mầm của đa số các giống xà lách trong khi đó ánh sáng đỏ xa (700-800 nm) thì cho kết quả

ngược lại Phytochrome là nơi chính tiếp nhận ánh sáng tác động đến quá trình nẩy mầm Sinh lý học cổ điển đã đưa ra giả thuyết là có sự liên kết giữa các hormone gibberellin (GA) và abscisic acid (ABA) bên trong cây trồng với sự nẩy mầm của hạt Ánh sáng đỏ thúc đẩy quá trình nẩy mầm ở hạt giống có thể bằng cách bổ sung GA vào hạt giống Nhưng trái lại, sự bổ sung ABA sẽ ngăn chặn quá trình nẩy mầm Như vậy, hàm lượng nội sinh của GA và ABA có thể được điều chỉnh bởi ánh sáng Trong thực tế, hàm lượng nội sinh GA và ABA được điều chỉnh trái ngược nhau trong điều kiện sáng Phytochrome điều chỉnh sinh tổng hợp GA trong quá trình nẩy mầm ABA tích lũy trong hạt gây kích hoạt tình trạng ngủ nghỉ và làm ngăn cản quá trình nẩy mầm

2.2.3.3 Ánh sáng đỏ xa

Thân của nhiều loại cây trồng sẽ được kéo dài nhanh chóng nếu chúng nhận được sự bổ sung ánh sáng đỏ xa từ mặt bên Thông thường, mức độ phản ứng của cây trồng với ánh sáng đỏ xa phụ thuộc vào giống, thời kì sinh trưởng

và sự biến đổi của môi trường (Pedro, 2006)

Mặc dù bước sóng 700-800 nm nằm phạm vi quang hợp của cây nhưng nó tác động mạnh mẽ trong việc chuyển đổi PFR thành PR Các loại cây ngày ngắn

sẽ ra hoa dựa trên nồng độ protein PR, vậy nên bước sóng này thường được dùng ở cuối chu kì ánh sáng để kích thích ra hoa ở cây ngày ngắn (Downs and Thomas, 1982) Như vậy, sự thiếu hụt nguồn ánh sáng đỏ xa có thể làm trì hoãn quá trình hình thành mầm hoa và phát triển của hoa trên một số loại cây (Runkle and Heins, 2001)

2.2.3.4 Ánh sáng tia cực tím

Nếu tiếp xúc quá nhiều với tia cực tím (tia UV) sẽ gây nguy hiểm cho hệ thực vật, tuy nhiên với một lượng nhỏ vừa đủ ánh sáng cận cực tím sẽ có lợi Trong nhiều trường hợp tia UV có vai trò quan trọng trong việc hình thành màu sắc thực vật, mùi vị và hương liệu Nghiên cứu cho thấy ánh sáng UV ở bước sóng 385 nm thúc đẩy sự tích tụ hợp chất phenolic, tăng cường hoạt động chống oxy hóa của chất chiết xuất từ thực vật Một số nghiên cứu gần đây đã cho thấy lợi ích cụ thể của ánh sáng cực tím đối với thực vật, bao gồm sự điều hòa chuyển hóa và hình thái thực vật Bridgen (2015) cho rằng tia UV có thể được sử dụng

để quản lý sự tăng trưởng của cây trong quá trình sản xuất cây trồng Giảm sự phát triển của lá thường được quan sát thấy trong phản ứng với bức xạ UV

2.2.4 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng là một trong những thông số quan trọng trực tiếp ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Hầu hết những nghiên

cứu ứng dụng về đèn LED trong sản xuất rau đều sử dụng đèn có cường độ nhỏ hơn 200 µmol.m-2.s-1 (Michael, 2015) Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tăng cường độ ánh sáng thúc đẩy sự phát triển của xà lách và tối đa hóa lợi ích kinh tế, đạt được chất lượng cao và tăng sản lượng của cây trồng trong sản xuất khép kín (Hunter and Burritt, 2004, Li and Kubota, 2009)

Khi cường độ ánh sáng cao đồng thời trong điều kiện nhiệt độ, nồng độ oxy cao và ít CO2 thì quá trình quang hô hấp ở cây trồng sẽ xảy ra Trong quá trình này, đườngRuBP bịoxy hóabởienzymerubisco thay vì nhận phân

tửcarbonicnhư trongchu trình Calvin của quá trìnhquang hợp Hô hấp sáng được đánh giá là tác nhân làm giảm đáng kể hiệu suất quang hợp của cácthực vật C3, cho dù một số nghiên cứu cho thấy quá trình hô hấp sáng có một số vai trò tích cực đối với thực vật Ở cácthực vật C4vàthực vật CAM, chức năng oxy hóa của Rubisco bị ngăn chặn, vì vậy hô hấp sáng bị triệt tiêu, đảm bảo được hiệu suất quang hợp cao của chúng trong các điều kiện khô nóng Hiện tượng quang hô hấp thường làm giảm 30-50% năng suất cây trồng Do đó trong canh tác cây trồng cần lưu ý vấn đề cường độ ánh sáng, nhiệt độ và nồng độ oxy

để tránh ảnh hưởng đến năng suất (Hoàng Minh Tấn và ctv., 2006)

Tuy nhiên theo Hoàng Minh Tấn và ctv (2006) quá trình quang hô hấp có

thể được xem là một hướng biến đổi sản phẩm quang hợp có tính chất thích nghi của một số thực vật Trong các điều kiện đặc biệt như nhiệt độ, ánh sáng và nồng độ oxy cao sẽ ức chế quá trình quang hợp thì cây buộc phải dành một lượng sản phẩm nhất định để đạt được 2 mục đích:

- Đi theo hướng trao đổi acid amin và protein: quá trình này hình thành nên 2 acid amin quan trọng là Glyxin và Serin để từ đó tổng hợp nên các protein cần thiết cho cây

- Khi cường độ ánh sáng mạnh thì quá trình tổng hợp NADPH ưu thế trong pha sáng dẫn đến dư thừa NADPH và ATP trong lục lạp gây ức chế quang hợp Quá trình quang hô hấp sẽ làm giảm nồng độ NADPH thông qua phản ứng khử glyoxilate để hình thành glycolate Nhờ đó, NADPH và ATP không còn dư thừa thể thực quá trình quang oxy hóa sản sinh ra các gốc tự do làm tổn hại đến thành phần cấu trúc của các bào quan và tế bào

2.2.5 Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng

Thời gian chiếu sáng bao nhiêu là đủ cho cây trồng luôn là cây hỏi thường gặp trong các nghiên cứu về ứng dụng ánh sáng nhân tạo trong sản xuất nông nghiệp Theo Akiyama and Kozai (2016), việc chọn mức thời gian chiếu sáng cho cây còn phụ thuộc vào cường độ mà nguồn ánh sáng phát ra Cần phải có

sự cân nhắc tính toán về cường độ và thời gian chiếu sáng để tổng lượng ánh

sáng tích lũy trong ngày đủ cho nhu cầu của cây Ví dụ, tổng lượng ánh sáng

mà cây trồng nhận được ở mức cường độ 200 µmol.m-2.s-1 trong thời gian chiếu sáng 16 giờ sẽ tương đương với lượng ánh sáng cây trồng nhận được ở cường

độ 267 µmol.m-2.s-1 trong thời gian chiếu sáng 12 giờ Trên cơ sở lý thuyết, khả năng quang hợp và sự phát triển của cây trong 2 điều kiện này là tương đương nhau Nhưng trong thực tế, sự phát triển của cây sẽ khác nhau trong một số trường hợp do sự tương tác của khả năng quang hợp, sự mở rộng diện tích lá và

sự kéo dài thân do ảnh hưởng của điều kiện chiếu sáng Do đó, việc quyết định thời gian chiếu sáng phải dựa vào năng suất, chất lượng sản phẩm, chi phí điện

năng cho chiếu sáng (Kubota et al., 2016)

Theo Higuchi and Hisamatsu (2016), quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng chịu sự điều chỉnh bởi chất lượng ánh sáng, số lượng ánh sáng và thời gian chiếu sáng Tổng lượng ánh sáng nhận được trong ngày (DLI - Daily light integral) là chỉ số được dùng để mô tả lượng ánh sáng cây trồng hấp thụ trong một ngày Việc duy trì DLI và kéo dài thời gian chiếu sáng trong ngày đã làm tăng sinh khối của xà lách 40% đối với xà lách bé và 15% đối với xà lách trưởng thành

Thời gian chiếu sáng ảnh hưởng đến sự phát triển sinh dưỡng và sinh sản của thực vật, ngoài ra chúng còn ảnh hưởng đến mức độ chuyển hóa một số chất thứ cấp Việc kéo dài thời gian chiếu sáng dẫn đến sự gia tăng đáng kể khối lượng tươi đối với một số giống xà lách Một số nghiên cứu cho thấy, tổng lượng bức xạ tăng 50% khi chuyển từ thời gian chiếu sáng 16 giờ/ngày lên 24 giờ/ngày dẫn đến làm tăng khối lượng của tất cả các giống xà lách Khi ở cùng một mức cường độ bức xạ, khối lượng cây trồng tăng từ 30% lên mức 50% dưới ánh sáng

đèn chiếu liên tục trong thời gian 16 giờ/ngày (Kang et at., 2013)

2.3 ÁNH SÁNG LED TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

2.3.1 Lịch sử phát triển

Việc thử nghiệm sử dụng ánh sáng LED để trồng cây đã được nghiên cứu

ở Mỹ từ cuối những năm 1980 trên các đối tượng cây trồng được như: xà lách, khoai tây và lúa mì (Morrow, 2008) Những nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong lĩnh vực trồng trọt bắt đầu được chú trọng từ những năm 1990 Ánh sáng nhân tạo từ đèn huỳnh quang trong các nhà sản xuất cây trồng dần dần được thay thế bằng ánh sáng LED ngay sau khi được thử nghiệm đầu tiên vào năm 2005 trong việc thương mại hóa sản xuất rau xanh trong điều kiện nhân tạo hoàn toàn Trong năm 2015, có hơn 10 trong tổng số khoảng 200 nhà máy sản xuất cây trồng ở Nhật Bản hoạt động nhờ vào ánh sáng LED (Massa and Norrie, 2015)

Hình 2.5 Quang phổ tương đối của đèn LED từ các bước sóng cực đại khác

nhau (Fujiwara, 2016) Đi-ốt phát sáng (LED) là một công nghệ mới có thể mang lại hiệu quả cao khi ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp Đèn LED đã được sử dụng rộng rãi như là một nguồn ánh sáng nhân tạo trong các nghiên cứu về sự phát triển của

thực vật (Massa et al., 2008) và bắt đầu được thương mại hóa trong xu hướng

sử dụng ánh sáng nhân tạo thay thế ánh sáng mặt trời để sản xuất rau trong nhà (Fang and Jao, 2000) Đèn LED là một loại đi-ốt bán dẫn cho phép kiểm soát thành phần quang phổ và cường độ ánh sáng phù hợp với các tế bào cảm quang

để thực vật tăng trưởng tốt hơn Ngoài ra đèn LED ảnh hưởng đến hình thái thực vật cũng như các quá trình sinh lý khác như sự nở hoa và hiệu suất quang hợp Đèn LED có khả năng tạo ra cường độ cao với mức tỏa nhiệt thấp và duy trì hiệu quả phát sáng trong nhiều năm Do bức xạ nhiệt thấp nên đèn LED có thể đặt được gần cây ngay cả khi ở cường độ ánh sáng cao Các bóng đèn sợi đốt hoặc huỳnh quang chứa các dây tóc phải được thay thế định kỳ và tiêu thụ nhiều năng lượng điện do tạo ra nhiệt Tuy nhiên đèn LED không có dây tóc, vì vậy không cần phải thay thế như bóng đèn sợi đốt hoặc huỳnh quang Nghiên cứu

về ánh sáng LED cho sự phát triển của thực vật đã diễn ra trong gần hai thập kỷ nay Sử dụng ánh sáng LED trên các loại rau khác nhau đã cho thấy kết quả tốt

về năng suất tối đa, chất lượng dinh dưỡng tối ưu và mở đường cho sự chấp nhận rộng rãi hơn về công nghệ LED trong chiếu sáng nhà kính trong tương lai

Ở những nơi lượng ánh sáng mặt trời thấp làm hạn chế sự phát triển của cây thì sự ra đời của ánh sáng nhân tạo trong trồng trọt nhà kính cho phép sản xuất cây và cung cấp sản phẩm quanh năm Ngoài ra, ánh sáng nhân tạo bắt đầu được sử dụng như một nguồn sáng duy nhất trong các hệ thống sản xuất khép kín Ánh sáng đèn nhân tạo chủ yếu được sử dụng để tăng cường độ hoặc thời gian chiếu sáng, có thành phần quang phổ khác so với ánh sáng mặt trời Ánh sáng nhân tạo ảnh hưởng tích cực đến quang hợp, làm tăng sự tổng hợp carbohydrate để cây phát triển tốt dẫn đến tăng lợi nhuận sản xuất Gần đây, một số loại đèn LED đã có sẵn và phục vụ cho các nhà kính sản xuất thương mại Chúng sẽ tiết kiệm năng lượng hơn (nghĩa là chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng cao hơn so với chuyển thành nhiệt) so với đèn nhân tạo thường được sử dụng và cho phép kiểm soát thành phần quang phổ của ánh sáng

(Ieperen et al., 2012)

2.3.2 Ưu điểm và hạn chế

Ngày nay, đèn LED được xem là một nguồn ánh sáng tối ưu trong việc

thay thế ánh sáng mặt trời giúp cây quang hợp (Shimizu et al., 2011) Với nhiều

ưu điểm nổi bật như tiêu hao ít điện năng, kích thước nhỏ, tuổi thọ kéo dài và nhiệt lượng tỏa ra ra thấp hơn các loại đèn huỳnh quang và đèn cao áp (Gupta

and Jatothu, 2013, Shimokawa et al., 2014 và Tewolde et al., 2016) Ngoài ra,

bước sóng ánh sáng xanh dương và ánh sáng đỏ của đèn LED phù hợp cho sự hấp thu tối đa ánh sáng của chlorophyll a và b trong hệ thống quang hợp của

cây trồng (Shimokawa et al., 2014), nên đèn LED đã và đang được ứng dụng

trong sản xuất ở nhiều quốc gia phát có nền nông nghiệp tiên tiến (Stutte, 2009) Đèn LED có thể được chế tạo riêng biệt cho mục đích phục vụ sản xuất nông nghiệp và tạo được hiệu quả sản xuất của cây trồng tối đa mà vẫn đảm bảo

hiệu quả sử dụng năng lượng điện (Tamulaitis et al., 2005) Cụ thể, đèn LED

phát ra các bước sóng phù hợp với sự hấp thụ của thực vật Điều này giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách không hoặc ít tạo ra các bước sóng không cần thiết

cho sản xuất (Mitchell et al., 2012) Việc xác định cụ thể các bước sóng của ánh

sáng đèn LED mang lại một số lợi ích như giảm sự xuất hiện của bệnh, tăng lượng vitamin, khoáng chất, sắc tố hoặc hợp chất phenolic trong mô thực vật

(Massa et al., 2008) Theo nghiên cứu của Li et al (2012), nguồn ánh sáng bằng

đèn LED có hiệu quả hơn ánh sáng đèn huỳnh quang trong việc thúc đẩy sinh trưởng và phát triển của một số loại rau

Một trong những lợi ích của việc sử dụng đèn LED trong môi trường nhà kính là khả năng tạo ra những phản ứng hình thái và sinh lý mong muốn nhờ vào việc kiểm soát bước sóng phát ra của quang phổ (Morrow, 2008) Hình thái

thực vật (mầm hoa, chiều dài đốt, phân nhánh, rễ,…) và sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp (sắc tố, vitamin,…) bị ảnh hưởng đáng kể bởi chất lượng và chu kì chiếu sáng Do đó, đèn LED với chất lượng ánh sáng khác nhau có thể được sử dụng để kiểm soát hình thái thực vật và sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp hiệu quả hơn, làm tăng giá trị của cây trồng (Kozai, 2016)

Ánh sáng nhân tạo từ đèn Natri cao áp và đèn huỳnh quang đều đã được nghiên cứu sử dụng Tuy nhiên, hạn chế của các loại đèn này là tiêu hao quá nhiều năng lượng điện, đồng thời nhiệt lượng tỏa ra ra quá lớn làm ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng và hiệu quả sản xuất Với công nghệ chiếu sáng LED (light - emitting diode) đã có nhiều cải tiến với nhiều ưu điểm có thể khắc phục được các hạn chế mà các loại ánh sáng nhân tạo trước đây chưa làm được như: tiết kiệm điện năng, nhiệt lượng tỏa ra ra thấp và tuổi thọ kéo dài hơn Ngoài ra, đèn LED có khả năng chuyển đổi "bật" và "tắt" thường xuyên, hoặc làm mờ mà không có tác động tiêu cực đến tuổi thọ của diode Khả năng này mang đến cơ hội nghiên cứu những lợi ích tiềm năng của ánh sáng xung cho các

nhà máy (Tamulaitis et al., 2005)

Yêu cầu của việc thương mại hóa sản phẩm cây trồng trong nền nông nghiệp đô thị bao gồm: có sản lượng hàng năm cao trên một đơn vị diện tích, sản phẩm tạo ra phải an toàn và tốt cho sức khỏe, đảm bảo được tính ổn định trong sản xuất, mang lại hiệu quả kinh tế và tính khả thi trong thực hiện Việc

sử dụng ánh sáng đèn LED có thể góp phần đáp ứng được những yêu cầu trên, đặc biệt trong điều kiện hệ thống sản xuất khép kính hoàn toàn (Plant factory) tách biệt với điều kiện bên ngoài Đèn LED ngày càng phổ biến trong nhiều lĩnh vực do hiệu quả chi phí tốt, hệ số chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng tương đối cao, màu sắc đa dạng (quang phổ), nhiệt độ bề mặt tương đối thấp, tuổi thọ dài (Kozai, 2016)

2.4 MỘT SỐ LOẠI RAU ĂN LÁ THÍCH HỢP TRỒNG TRONG CÁC NHÀ MÁY SẢN XUẤT CÂY TRỒNG

Theo Kozai (2013) các loại cây được chọn để canh tác trong các nhà máy sản xuất có chiều cao ngắn hơn 30 cm Trong các nhà máy sản xuất cây trồng,

kệ trồng cây được thiết kế nhiều tầng, khoảng cách giữa các tầng là 40 cm để khai thác tối đa không gian trên cao Đồng thời thời các điều kiện môi trường như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng… đều là nhân tạo hoàn toàn nên cây trồng thích hợp cho sản xuất thương mại là những cây phát triển tốt ở cường độ ánh sáng tương đối thấp, chịu được mật độ trồng cao và hầu hết các bộ phận trên cây đều

có thể sử dụng được hoặc bán được với giá trị kinh tế cao

Xà lách (Lactuca sativa L.) được coi là rau quan trọng nhất trong nhóm

rau ăn lá, chủ yếu sử dụng ở dạng ăn tươi, một ít được sử dụng dưới dạng nấu

chín (Lebeda et al., 2007) Trong xà lách có giá trị dinh dưỡng cao Phần lớn

các loại thực phẩm được nấu chín vì vậy các loại enzyme, vitamin không còn nhiều nhưng xà lách được dùng để ăn tươi nên còn giữ được hàm lượng dinh

dưỡng cao Xà lách được sản xuất thương mại ở nhiều nước trên toàn thế giới

và cũng được trồng rộng rãi như một loại rau trong vườn nhà Đặc biệt xà lách được xem như là một cây trồng thương mại quan trọng ở châu Á, Bắc Mỹ, Trung

Mỹ và châu Âu Các nước như Trung Quốc, Hoa Kỳ, Tây Ban Nha, Ý, Ấn Độ

và Nhật Bản là những nơi sản xuất lớn xà lách nhất thế giới (Lebeda et al.,

2007) Xà lách được xếp vào nhóm rau có yêu cầu cường độ ánh sáng yếu Ở

Đồng bằng Sông Cửu Long trồng xà lách vụ Xuân hè nên che mát (Trần Thị Ba

và Võ Thị Bích Thủy, 2015) Theo Đường Hồng Dật (2003) ánh sáng ngày

10-12 giờ rất tốt cho sinh trưởng và phát triển của cây để đạt năng suất cao

Rau non (babygreen) được sản xuất lần đầu tiên ở miền Nam California, Hoa Kỳ, là loại rau được thu hoạch ở thời điểm lá mầm nở hoàn toàn hoặc trong thời kì bắt đầu có lá thật (7-20 ngày sau khi nẩy mầm, tùy thuộc vào giống) Bởi

vì thu non nên rau thường ít được sử dụng để nấu mà được ăn sống sau khi đã rửa sạch Tùy thuộc vào đặc điểm, màu sắc và kết cấu của từng giống rau non

có thể được sử dụng là thành phần trong các món salad, canh,… (Treadwell et

al., 2010 và Xiao et al., 2012) Rau non có thời gian sử dụng 2-5 ngày sau khi

thu hoạch và do chi phí sản xuất cao nên thường được sử dụng trong các nhà hàng cao cấp Rau non là loại rau cao cấp chứa hàm lượng vitamin, khoáng chất,

và chất chống oxy hóa cao hơn cây trưởng thành (Xiao et al., 2012) Với nhiều

ưu điểm nổi bật như dễ trồng, thời gian canh tác ngắn nên rau non rất phù hợp cho các mô hình tự sản xuất rau sạch của người dân sinh sống tại các thành phố

Có khoảng 80-100 giống cây trồng có thể được trồng làm rau non, phổ biến nhất

là bắp cải, củ cải đường, cải xoăn, su hào, cải xanh, cải củ, cải củ Thụy Sĩ và

rau dền tía (Treadwell et al., 2010)

Theo Trần Thị Ba và ctv (2018), các loại rau ăn lá khi thu hoạch còn non

sẽ cho giá trị dinh dưỡng cao hơn rau trưởng thành Hầu hết các giống rau trong

họ thập tự đều có thể được sử dụng để trồng rau thu non Nhưng kết quả nghiên cứu cho thấy, các giống cải ngọt đuôi phụng, cải củ trắng và cải bẹ xanh mỡ cho năng suất rau thu non (2,30 - 2,50 kg/m2) cao hơn một số giống rau khác trong cùng họ Trong đó, giống cải ngọt đuôi phụng (cải phụng) là giống rau mới có

mùi vị đặc trưng là sự kết hợp của cải xanh và cải ngọt, có hình dáng lạ, bắt mắt, độc đáo và rất phù hợp để sản xuất rau thu non

2.5 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ ỨNG DỤNG ĐÈN LED TRONG NÔNG NGHIỆP

2.5.1 Trong nước

Nguyễn Bá Nam và ctv (2012) đã nghiên cứu về ảnh hưởng của hệ thống

chiếu sáng đơn sắc LED đến khả năng tái sinh chồi cây hoa cúc trong môi trường nuôi cấy mô Kết quả nghiên cứu cho thấy, ánh sáng LED 70% đỏ: 30% xanh dương rất phù hợp cho sự tái sinh chồi của cây hoa cúc

Trong nghiên cứu khác của Nguyễn Bá Nam và ctv (2014) về ảnh hưởng

của ánh sáng đèn LED bổ sung vào ban đêm lên sự sinh trưởng và phát triển trên 3 giống hoa cúc (Đóa vàng, Sapphire và Kim cương) được trồng trong nhà kính Trong nghiên cứu này, đèn LED với sự phối trộn giữa hai loại đèn LED xanh và LED đỏ với các tỉ lệ lần lượt là: 100% LED đỏ, 90% LED đỏ kết hợp với 10% LED xanh, 80% LED đỏ kết hợp với 20% LED xanh, 70% LED đỏ kết hợp với 30% LED xanh, 60% LED đỏ kết hợp với 40% LED xanh, 50% LED

đỏ kết hợp với 50% LED xanh được sử dụng để chiếu sáng bổ sung vào ban đêm nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của chúng lên sự sinh trưởng và phát triển của

3 giống hoa cúc nêu trên Đèn compact 3U được dùng làm nghiệm thức đối chứng Kết quả cho thấy, tỉ lệ 70% LED đỏ kết hợp với 30% LED xanh phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây hoa cúc giống Sapphire và Kim cương, trong khi đó, tỉ lệ 60% LED đỏ kết hợp với 40% LED xanh phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của giống cúc Đóa vàng Kết quả này có thể khẳng định đèn LED thích hợp để thay thế đèn compact 3U trong việc chiếu sáng cây hoa cúc trong nhà kính

Hoàng Thanh Tùng và ctv (2015) đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ

và sự thay đổi giai đoạn chiếu sáng giữa LED đỏ và xanh dương đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây hoa cúc trong ống nghiệm Các chồi đỉnh được nuôi cấy dưới các cường độ chiếu sáng bao gồm 30, 45 và 60 µmol.m-2.s-1 ở điều kiện chiếu sáng kết hợp giữa 70% LED đỏ với 30% LED xanh, sự thay đổi giai đoạn chiếu sáng giữa LED đỏ và LED xanh theo thời gian như: tuần đầu LED đỏ, tuần sau LED xanh và ngược lại: 2 tuần đầu LED đỏ, 2 tuần sau LED xanh và ngược lại Kết quả thu được sau 6 tuần nuôi cấy cho thấy, cường độ 60 µmol.m-2.s-1 có ảnh hưởng tốt lên quá trình sinh trưởng và phát triển của cây hoa cúc Tuy nhiên, hàm lượng chlorophyll a và b đạt cao nhất ở cường độ 45 µmol.m-2.s-1 Các mẫu nuôi cấy sinh trưởng và phát triển tốt nhất ở nghiệm thức chiếu sáng thay đổi hàng tuần giữa LED xanh và LED đỏ (tuần đầu chiếu sáng

LED xanh, tuần sau chiếu sáng LED đỏ) Như vậy, kết quả từ nghiên cứu cho thấy cường độ 60 µmol.m-2.s-1 và sự thay đổi giai đoạn chiếu sáng hàng tuần với tuần đầu LED xanh, tuần sau LED đỏ có ảnh hưởng tốt lên quá trình sinh trưởng và phát triển của cây hoa cúc in vitro

Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Khắc Hưng và ctv (2016) về ảnh hưởng

của ánh sáng đơn sắc LED đến một số đặc điểm sinh lý và hình thái của cây sâm dây trong ống nghiệm cho thấy, ánh sáng LED đỏ và xanh dương đều ức chế quá trình tạo rễ của cây Trong khi đó, sâm dây được trồng trong điều kiện LED 80% đỏ:20% xanh dương cho phát sinh rễ tốt nhất Ngoài ra, số rễ, chiều dài rễ, chiều cao của chồi tạo thành ở nghiệm thức này đều cao hơn nghiệm thức đối chứng - ánh sáng đèn huỳnh quang Đồng thời hàm lượng chlorophyll tổng của sâm dây trồng dưới điều kiện LED 80% đỏ:20% xanh dương cho kết quả cao nhất Nghiệm thức LED đơn sắc đỏ kết quả hàm lượng chlorophyll cao hơn ở nghiệm thức LED đơn sắc xanh dương và LED trắng

2.5.2 Trên thế giới

2.5.2.1 Ảnh hưởng của bước sóng ánh sáng

Từng bước sóng ánh sáng (sắc tố quang hợp) khác nhau ảnh hưởng lên từng giai đoạn phát triển của cây trồng Hệ thống quang hợp phản ứng rõ rệt nhất với ánh sáng đỏ (bước sóng 600-680 nm) và ánh sáng xanh (bước sóng 380-480 nm) (Roberto, 2003) Chính vì thế, khi nghiên cứu về ảnh hưởng của bước sóng đèn LED đến sự sinh trưởng và năng suất cây trồng, hầu hết các tác giả đều sử dụng các bước sóng thuộc ánh sáng đỏ và xanh dương

Kết quả nghiên cứu của Shimizu et al (2011) về ảnh hưởng của các loại

ánh sáng đèn LED đến xà lách trồng trong nhà cho thấy các loại ánh sáng ánh sáng đơn sắc và phối hợp khác nhau có ảnh hưởng đến khối lượng tươi và khối lượng khô xà lách Khi trồng xà lách bằng ánh sáng LED đỏ và đèn huỳnh quang cho khối lượng tươi cao nhất Tuy nhiên, hàm lượng chất khô trên xà lách lại cao nhất khi sử dụng ánh sáng xanh dương và đèn huỳnh quang Ánh sáng LED

đỏ cho khối lượng tươi cao nhất nhưng lại có hàm lượng chất khô thấp nhất Điều này có thể là do ở nghiệm thức LED đỏ lá phát triển mạnh về kích thước (phiến lá và cuống lá dài) làm cho các lá che lấp nhau nên khả năng nhận ánh sáng để quang hợp và tạo chất khô bị giảm

Theo Li et al (2012) cho rằng các bước sóng ánh sáng khác nhau ảnh

hưởng đến sự phát triển của các tế bào, các cơ quan và tính năng quang hợp của thực vật Ngoài ra, chúng còn ảnh hưởng đến hình thái, sinh lý và năng suất cây

trồng (Folta and Maruhnich, 2007) Zhang et al (2017) nghiên cứu về ảnh

hưởng của quang phổ đèn LED đến hình thái và đặc điểm sinh lý của xà lách

Kết quả cho thấy, nghiệm thức sử dụng ánh sáng LED đỏ cho kết quả chiều cao cây xà lách cao nhất, theo sau là các nghiệm thức xanh lá cây và LED đỏ xanh dương kết hợp theo tỉ lệ 90:10 và 80:20 Đường kính gốc thân thấp nhất được tìm thấy ở nghiệm thức LED xanh lá cây và LED vàng, trong khi nghiệm thức khác không có ảnh hưởng đáng kể đến đường kính thân so với ánh sáng trắng Nghiệm thức LED vàng và xanh lá cho kết quả khối lượng thân lá tươi của xà lách thấp nhất, trong khi sử dụng LED đỏ, dương kết hợp và LED đơn sắc đỏ cho kết quả khối lượng cây cao nhất và tương đương nghiệm thức đối chứng ánh sáng trắng Ngoài ra, nghiệm thức sử dụng đèn LED đỏ xanh dương kết hợp theo tỉ lệ 80:20 còn làm tăng hàm lượng đường và protein hòa tan Kết quả này cho thấy LED 80 đỏ:20 xanh dương có thể cải thiện năng suất và chất lượng xà lách trồng trong điều kiện ánh sáng nhân tạo hoàn toàn

Khi bổ sung thêm ánh sáng xanh dương (bước sóng 470 nm) vào hệ thống

xà lách thủy canh sử dụng hệ thống đèn Natri cao áp (HPS), đã có tác động mạnh đến hiệu suất quang hợp của xà lách, làm gia tăng tích cực làm lượng chlorophyll a và b, gia tăng diện tích lá và khối lượng cây trồng Tuy nhiên, không tìm thấy ảnh hưởng khác biệt khi cung cấp ánh sáng LED xanh dương

với các bước sóng khác nhau (Sirtatutas et al., 2014)

Khi nghiên cứu về ảnh hưởng của ánh sáng đèn LED đơn sắc đến sinh

trưởng của xà lách, Shimokawa et al (2014) đã sử dụng các nghiệm thức: LED

đỏ có bước sóng 660 nm và 635 nm (R660 và R635), LED xanh dương có bước sóng 450 nm (B450) và đèn huỳnh quang làm đối chứng được bố trí chiếu sáng

12 giờ/ngày đêm Kết quả cho thấy, các chỉ tiêu như khối lượng tươi, khối lượng khô, chiều dài lá, chiều rộng lá ở nghiệm thức B450 đạt cao nhất Trong khi đó, nghiệm thức R635 và R660 cho kết quả chiều cao cây đạt cao nhất đồng thời số

lá trên cây và kích thước lá đạt thấp nhất Như vậy, nghiệm thức chiếu sáng bằng đèn LED đỏ làm cho lóng cây xà lách kéo dài hơn các nghiệm thức còn lại

Kobayashi et al (2013) đã nghiên cứu về ảnh hưởng của ánh sáng đèn

LED đến sự sinh trưởng của giống xà lách“Tom Thumb” trồng thủy canh Các nghiệm thức ánh sáng gồm có: LED đỏ, LED xanh dương và ánh sáng đèn huỳnh quang được chiếu sáng 12 giờ/ngày và cường độ bức xạ quang hợp là 58,9 µmol.m-2.s-1 Kết quả cho thấy, khối lượng khô của thân lá xà lách ở nghiệm thức khác biệt không ý nghĩa, tuy nhiên phần trăm khối lượng khô của thân lá trên khối lượng khô toàn cây của xà lách ở nghiệm thức sử dụng ánh sáng LED

đỏ cao hơn các nghiệm thức còn lại (92,6%) Hay nói cách khác, nghiệm thức đèn huỳnh quang làm cho khối lượng rễ cao hơn các nghiệm thức ánh sáng đèn khác

Kết luận tương tự cũng được Li et al (2012) đưa ra khi nghiên cứu về ảnh

hưởng của các loại ánh sáng khác nhau đến sự sinh trưởng và phát triển của cải bắpTrung Quốc Nghiệm thức ánh sáng LED đỏ cũng cho kết quả khối lượng thân lá khô cao hơn các nghiệm thức còn lại, trong khi khối lượng thân lá tươi

ở nghiệm thức này khác biệt không ý nghĩa qua phân tích thống kê với các nghiệm thức LED xanh dương và LED đỏ kết hợp LED xanh dương

Kết quả nghiên cứu Lin et al., (2013) về ảnh hưởng của ánh sáng LED đỏ,

xanh dương và trắng đến sự sinh trưởng của xà lách thủy canh đã cho kết quả như sau: ở cường độ bức xạ quang hợp 210 µmol.m-2.s-1 và thời gian chiếu sáng 16giờ/ngày đêm, nghiệm thức ánh sáng kết hợp của 3 màu sắc đỏ, xanh dương

và trắng cho kết quả về khối lượng tươi, khối lượng khô, độ giòn, độ ngọt xà lách cao hơn nghiệm thức chỉ kết hợp ánh sáng đỏ và xanh dương

Ghi chú: Control: đối chứng không bổ sung, HPS: đèn Natri cao áp,

Red: LED đỏ, Blue: LED xanh dương

Hình 2.6 Ảnh hưởng của các giai đoạn bổ sung ánh sáng LED đến sự hình

thành sắc tố đỏ ở xà lách Cherokee (Owen and Lopez, 2015)

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của việc bổ sung ánh sáng đèn LED đến

sự hình thành sắc tố đỏ ở giống xà lách Cherokee của Owen and Lopez (2015) (Hình 2.6) cho thấy, ở các giai đoạn bổ sung ánh sáng 3, 5, 7 và 14 ngày trước khi thu hoạch đều cho kết quả sự hình thành sắc tố đỏ nhiều nhất ở các nghiệm thức 50 đỏ: 50 xanh dương (cường độ bức xạ quang hợp 100 µmol.m-2.s-1), 100% LED đỏ và 100% LED xanh dương (100 μmol.m-2.s-1) khác biệt có ý nghĩa qua phân tích thống kê với các nghiệm thức đèn cao áp, 100% LED xanh