Ở NƯỚC TA
Ở Việt Nam, kĩ thuật này mới được đưa vào nghiên cứu và ứng dụng từ năm 1993 nhờ sự hợp tác giữa Đại học Quốc gia Hà Nội với tổ chức R & D Hong Kong (Hong Kong Research and Development) đã đề xuất việc nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật thủy canh vào nước ta. Tháng 4 năm 1995, các thử nghiệm đầu tiên trên một số loại cây trồng bắt đầu được triển khai, chủ yếu trên các loại rau, loại cây trồng có giá trị kinh tế cao. Và cơ quan được giao tiến hành thử
nghiệm là Đại học Nông nghiệp I Hà Nội. Từ đó, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp thủy canh cũng được nhiều cơ sở nghiên cứu và sản xuất tiến hành.
Ở Hà Nội, Công ty phân bón Sông Gianh đã sản xuất dung dịch dinh dưỡng thủy canh Thăng Long. Tác giả Nguyễn Thị Dần (1998) đã khảo nghiệm dung dịch này và kết luận dung dịch dinh dưỡng Thăng Long không thua kém so với dung dịch dinh dưỡng của Đài Loan đối với các loại rau ăn lá, ăn hoa và ăn quả. Đặc biệt, ớt ngọt trồng trong dung dịch này cho năng suất cao hơn 72,8% so với trồng trong dung dịch dinh dưỡng chỉ bằng 1/3 giá dung dịch nhập từ Đài Loan.
Với đề tài “Thử nghiệm các dung dịch dinh dưỡng cho một số loại rau ăn lá bằng kỹ thuật trồng cây trong dung dịch”. Nguyễn Quang Thạch và cs. (1998) đã nghiên cứu pha chế 2 dung dịch dinh dưỡng NC1 và NC2 để trồng một số loại rau ăn lá bằng kỹ thuật thủy canh. Cho nhận xét: Cả 2 dung dịch tự pha chế đều cho sản phẩm rau xà lách và rau cải có chất lượng tương đương và năng suất đạt từ 70 – 90% so với cùng loại rau trồng bằng dung dịch nhập AVRDC. Giá thành dung dịch dinh dưỡng tự pha chế chỉ bằng 1/3 dung dịch nhập từ AVRDC. Do đó giá thành sản phẩm được giảm từ 22 – 27%.
Nguyễn Quang Thạch và cs. (1998) nhận xét: nếu chỉ trồng trong thời gian ngắn của một vụ rau ăn lá từ 30 – 45 ngày thì sự thay đổi của cá dung dịch thử nghiệm là không đáng kể.
Cũng trong thời gian này, một số nghiên cứu kỹ thuật trồng cây trong dung dịch đối với cây rau chủ yếu tập trung vào cải tiến dụng cụ trồng cho phù hớp với điều kiện trong nước và thử nghiệm các dung dịch dinh dưỡng tự pha chế. Tại Trung tâm sinh học và Bộ môn sinh lý thực vật của Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã trồng thử nghiệm một số loại rau ăn lá và ăn quả bằng các dung dịch tự pha chế trong nước thay thế dần cho nguyên liệu phải nhập từ Đài Loan. Từ quan điểm trên đã có nhiều nghiên cứu đem lại kết quả khả quan: Khi nghiên cứu “Ảnh hưởng của một số dung dịch dinh dưỡng khác nhau đến sinh trưởng phát triển và năng suất của rau khoai lang, xà lách vụ thu đông 1997” tác giả Vũ Quang Sáng và Nguyễn Quang Thạch (1999) đã đưa ra nhận xét có thể chủ động tự pha chế dung dịch dinh dưỡng để trồng các loại rau mà không phải điều chỉnh pH và bổ sung dinh dưỡng. Trồng cây trong dung dịch tự pha chế cho năng suất và chất lượng tương đương với trồng cây trong dung dịch tự pha chế cho năng suất và chất lượng tương đương với trồng cây trong dung dịch nhập
từ AVRDC. Đồng thời trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng tự pha chế cho giá thành hạ hơn 57 – 60% so với trồng cây trong dung dịch nhập từ AVRDC.
Nguyễn Khắc Thái Sơn (1996), nghiên cứu một số dung dịch dinh dưỡng để trồng cải xanh và cà chua bằng kỹ thuật thủy canh, các tác giả đã sử dụng 8 loại dung dịch trong đó có 4 loại được sử dụng nguyên bản là dung dịch Knop, dung dịch I mai và 4 loại dung dịch được cải tiến từ 4 loại dung dịch nguyên bản trên. Kết quả cho thấy, cả 7 dung dịch tự pha chế và cải tiến đều cho năng suất cải xanh thấp hơn dung dịch nhập từ Đài Loan, song có tới 4 trong 7 dung dịch cho năng suất cà chua cao hơn. Đặc biệt, dung dịch Knop cải tiến bằng cách thêm vi lượng và bột sắt đã cho năng suất cà chua đạt 5,69 kg/m2, vượt 82,37% so với dung dịch dinh dưỡng nhập từ Đài Loan.
Nguyễn Khắc Thái Sơn (1996), khi nghiên cứu ảnh hưởng của một số loại dinh dưỡng khác nhau đến sự sinh trưởng phát triển của cây cải xanh và cà chua cho biết giá thành ở quy mô thí nghiệm của cải xanh từ 7.000 đến 41.000 đồng/kg, cà chua từ 9.000 – 31.000 đồng/kg (tùy theo loại dung dịch dinh dưỡng).
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch FAO và Knop có cải tiến bằng cách bổ sung vi lượng đến sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của cà chua VR2 và XH2, tác giả Vũ Quang Sáng (2000) cho biết: có thể chủ động được việc pha chế dung dịch để trồng cà chua bằng dung dịch thủy canh, không cần điều chỉnh pH mà chỉ cần bổ sung dung dịch dinh dưỡng khi cây ra hoa. Năng suất và chất lượng quả trồng trên hai dung dịch này tốt, giá thành hạ hơn so với sử dụng dung dịch dinh dưỡng nhập từ AVRDC.
Trần Khắc Thi và cs. (2007) đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng công nghệ thủy canh tuần hoàn để sản xuất rau ăn lá trái vụ trong 2 năm từ năm 2007 – 2008 với 4 loại rau (11 giống xà lách, 3 giống cải, 3 giống cần tây và 3 giống rau muốn). Kết quả thu được các giống rau phù hợp trồng trái vụ trong dung dịch thuỷ canh tuần hoàn gồm: (1) Sáu giống xà lách: xoăn Trung Quốc, Rx08834067, Sweet GRM, Vulcania, Facestyle và Krintine Kz. (2) Hai giống cải xanh: BM và Tosakan. (3) Hai giống cần tây: BM 701 và Tropic. (4) Hai giống rau muống: Muống hạt và Muống trắng. (5) Rau ăn lá được trồng trái vụ bằng kỹ thuật thủy canh tuần hoàn đạt tiêu chuẩn an toàn vệ sinh an toàn thực phẩm.
Nguyễn Minh Chung và cs. (2010) đã tiến hành xây dựng mô hình sản xuất rau ăn lá bằng công nghệ thủy canh tuần hoàn trong nhà lưới với 3 giống cải
xanh, xà lách và cần tây. Kết quả cho thấy các giống rau có khả năng thích ứng với công nghệ thủy canh tuần hoàn, rút ngắn thời gian sinh trưởng và cho năng suất cao. Tuy nhiên, với chi phí ban đầu khá cao. Trong đó, rau cải xanh có thời gian sinh trưởng từ 32 – 35 ngày, năng suất trung bình là 28,2 tạ/1000m2, lãi xuất thu được là 4.370.000 đồng/vụ/1000m2. Cải xanh có thời gian sinh trưởng 32 – 33 ngày, năng suất trung bình 26,3 tạ/1000m2, lãi xuất thu được là 8.390.000 đồng/vụ/1000m2. Cần tây có thời gian sinh trưởng là 42-45 ngày, năng xuất trung bình đạt 27,7 tạ/1000m2, lãi xuất thu được là 14.500.000 đồng/vụ/1000m2 .
Những năm gần đây, có rất nhiều đề tài nghiên cứu kỹ thuật thủy canh trong sản xuất rau ăn lá, rau gia vị tại Viện Sinh học Nông nghiệp – Học viện Nông nghiệp Việt Nam như: Nghiên cứu kỹ thuật trồng một số loại húng bằng phương pháp thủy canh (Bùi Thị Hải Yến, 2016), Nghiên cứu kỹ thuật trồng rau muống bằng phương pháp thủy canh (Nguyễn Thị Tố Uyên, 2016), Nghiên cứu kỹ thuật trồng rau mùng tơi bằng phương pháp thủy canh (Nguyễn Thị Huyền, 2017), Nghiên cứu ảnh hưởng của đèn LED đến sinh trưởng, năng suất, phẩm chất của một số giống rau xà lách trồng thủy canh (Nguyễn Thị Khanh, 2017)… 2.4. CÔNG NGHỆ ĐÈN LED TRỒNG CÂY THỦY CANH TRONG NHÀ
Nghiên cứu phát triển hệ thống trồng cây trong nhà bằng công nghệ thủy canh kết hợp với công nghệ đèn LED đang được quan tâm ở Việt Nam và nhiều quốc gia. Chiếu sáng bằng đèn LED (Light emitting diode) là một công nghệ đầy hứa hẹn cho công nghệ trồng cây trong nhà kính và đặc biệt cho các hệ thống “Plant factory”. Hệ thống " Plant factory" (tạm hiểu là xí nghiệp cây trồng) hiện đã phổ biến ở Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc... được sản xuất quanh năm trong nhà để cung cấp rau xanh cho các siêu thị và cho sử dụng tại chỗ tại các nhà hàng, khách sạn...Đây là hệ thống áp dụng đồng bộ công nghệ thủy canh và công nghệ đèn LED đã cho năng suất rau cao gấp nhiều lần so với sản xuất thông thường do giàn đặt cây được bố trí nhiều tầng trong mọi không gian trống trong nhà. Cây rút ngắn thời gian sinh trưởng để tăng vụ và do chủ động kiểm soát được các yếu tố đầu vào nên chất lượng và mức độ an toàn được đảm bảo. Đây là một trong những dạng hình sản xuất trong tương lai khi đất canh tác bị thu hẹp, khí hậu biến đổi và môi trường sản xuất bị ô nhiễm không thể cải tạo. Ở nước ta,
công nghệ này mới được tiếp cận và đang ở giai đoạn thử nghiệm áp dụng trong những năm gần đây (Mitchell et al., 2012).
LED là nguồn ánh sáng đầu tiên có thể tạo ra ánh sáng đơn sắc có phổ phù hợp với các chất nhận ánh sáng của cây (Photoreceptor), qua đó thúc đẩy các chức năng sinh lý mong muốn, tạo ra năng suất tối đa cũng như điều khiển được sự phát sinh hình thái và phẩm chất của cây (Morrow, 2008). Ngoài ra đèn LED còn có những ưu việt: cho cường độ sáng cao, tiêu tốn ít năng lượng, có độ bền cao (trên 50.000 giờ), tỏa nhiệt thấp.
Trên thế giới, các ứng dụng của đèn LED cho nghiên cứu trong trồng trọt đã được tiến hành mạnh mẽ từ những năm 1990 (Massa and Norrie, 2015). Đèn huỳnh quang trong hệ thống trồng cây với ánh sáng nhân tạo (PFAL) đã dần dần được thay thế bằng đèn LED sau lần đầu tiên đèn LED PFAL được tạo ra vào năm 2005 để sản xuất thương mại rau ăn lá. Tính đến năm 2015, hơn 10 trong khoảng 200 hệ thống trồng cây với ánh sáng nhân tạo ở Nhật Bản hoạt động dựa vào đèn LED. Trong khi ánh sáng bổ sung cho cây trồng nhà kính với đèn cao áp (HPS) vẫn phổ biến chủ yếu ở Hà Lan và Bắc Mỹ từ những năm 1990 (Lopez and Runkle, 2016), các phiên bản đèn HPS được cũng đang được thay thế bằng đèn LED.
Ánh sáng Blue khi tổ hợp với ánh sáng đỏ sẽ làm tăng hàm lượng diệp lục ở rau cải (Mizuno et al., 2011; Li et al., 2012), tăng sinh khối của xà lách (Johkan et al., 2010) và cải bắp (Li et al., 2012).
Theo Toyoki Kozai et al. (2016) hình thái học thực vật (sự ra hoa, chiều dài lóng, phân nhánh, rễ…) và sản xuất các chất chuyển hóa thứ cấp (sắc tố, vitamin…) đều bị ảnh hưởng đáng kể bởi chất lượng ánh sáng và quang chu kỳ. Do đó, chất lượng ánh sáng đèn LED khác nhau có thể được sử dụng để kiểm soát hình thái và sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp hiệu quả hơn, tăng giá trị của cây trồng.
Việc nghiên cứu thiết bị chiếu sáng ứng dụng vào nền nông nghiệp nước ta đã được tiến hành từ cách đây nhiều năm, tuy nhiên các nhà khoa học chủ yếu là sử dụng bóng đèn sợi đốt, bóng đèn huỳnh quang và compact để nghiên cứu điều khiển quá trình ra hoa và tạo quả ở một số cây trồng, trong đó chủ yếu là cây cúc và thanh long.
Nguyễn Bá Nam và cs. (2016) đã tổng kết được đèn LED thích hợp cho một số giống cây nuôi cấy mô. Đặc biệt, tác giả chỉ ra, đèn LED có tỉ lệ 80R:20B phù hợp với giai đoạn thích nghi và sinh trưởng của cây con ở giai đoạn ex vitro. Trong điều kiện nhà kính, hệ thống chiếu sáng đèn LED tỷ lệ 70R:30B thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển 2 giống Cúc Sapphire và Kim cương, tỷ lệ 60R:40B phù hợp cho giống Cúc Đóa vàng.
Nguyễn Khắc Hưng và cs. (2016) cho biết đèn LED có tỉ lệ ánh sáng đỏ (R) và xanh (B) phù hợp cho sự sinh trưởng của chồi và rễ cây sâm dây trong điều kiện in-vitro là R/B = 80/20. Ngoài ra, hàm lượng các sắc tố quang hợp cũng như khối lượng chất khô tích lũy ở các chồi sinh trưởng dưới đèn LED R+B đều cao hơn ánh sáng trắng huỳnh quang.
Phan Ngọc Nhí và cs. (2016) khi nghiên cứu ảnh hưởng của loại đèn LED và thời gian chiếu sáng đến sự sinh trưởng và năng suất xà lách thủy canh, tác giả cũng chỉ ra, tổ hợp của nghiệm thức 2 LED tím 30W (cường độ bức xạ quang hợp (CĐBXQH): 80 μmol/m2.s) với thời gian chiếu sáng 20/4 (chiếu sáng 20 giờ/ngày đêm) cho năng suất thương phẩm của xà lách đạt cao nhất (0,90 kg/m2), đồng thời cho các chỉ tiêu về sinh trưởng tương đương hoặc tốt hơn các tổ hợp nghiệm thức còn lại. Tổ hợp 3 LED trắng 16W (CĐBXQH: 60 μmol/m2.s) kết hợp với thời gian chiếu sáng 24/0 (L/D): (chiếu liên tục 24 giờ/ngày đêm) cho năng suất thương phẩm của xà lách đạt 0,86 kg/m2, thân vươn dài (cao gấp 2,75 lần so với tổ hợp 2 LED tím với thời gian chiếu sáng 20/4) nhất.
Nghiên cứu gần đây của Nguyễn Thị Khanh (2017) cũng cho thấy đèn LED thích hợp cho một số giống rau xà lách, năng suất của rau xà lách xoăn và xà lách cuộn trồng dưới ánh sáng đèn LED (R660/B450 = 80/20) cho năng suất cao hơn so với khi trồng dưới ánh sáng đèn LED trắng và đèn LED vàng.
2.5. ỨNG DỤNG CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN SỰ RA HOA, KẾT TRÁI CỦA CÂY NGÀY NGẮN VÀ CÂY NGÀY DÀI RA HOA, KẾT TRÁI CỦA CÂY NGÀY NGẮN VÀ CÂY NGÀY DÀI
Trong cây trồng, hai hệ sắc tố cảm quang tác động đến quang chu kỳ và quang hình thái của thực vật trong các tài liệu của nước ngoài thu thập được đều thống nhất gồm hai hệ chính sau đây:
- Hệ sắc tố Cryptochrome (nhóm dị sắc tố) hấp thụ ánh sáng xanh lam và tử ngoại gần. Nhóm này gồm các tế bào Cry 1, Cry 2, Phot 1, Phot 2 và Zeaxanthin, mà bản chất sinh hoá của các dị sắc tố này còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu sáng tỏ.
- Hệ sắc tố Phytochrome hấp thụ ánh sáng đỏ và đỏ xa. Đây là loại sắc tố cảm quang thực vật được các nhà nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam nghiên cứu chuyên sâu nhất. Cơ chế điều khiển ra hoa của hệ sắc tố này đã được giải thích rõ ràng, được thống nhất thừa nhận.
- Học thuyết Phytochrome (PC) của Hendrick và Borthwick giải thích bản chất quang chu kỳ của sự ra hoa, PC có khả năng điều chỉnh quá trình ra hoa của thực vật dưới tác dụng của quang chu kỳ.
Ánh sáng đỏ có bước sóng 660nm kìm hãm sự ra hoa của cây ngày ngắn (SDP) và kích thích sự ra hoa của cây ngày dài (LDP). Ngược lại, ánh sáng đỏ xa có bước sóng 730nm lại kìm hãm sự ra hoa của cây ngày dài (LDP) và kích thích sự ra hoa của cây ngày ngắn (SDP). Điều đó chứng tỏ tồn tại trong cây một hệ thống sắc tố hấp thụ ánh sáng đỏ và đỏ xa. Các sắc tố này có khả năng điều chỉnh sự ra hoa của cây SDP và LDP. Sắc tố đó là PC, nó tồn tại dưới hai dạng có khả năng biến đổi thuận nghịch. Một dạng có cực đại hấp thụ ánh sáng có bước ssóng 660nm (P660), dạng khác hấp thụ ánh sáng 730nm(P730). Dạng P730 là dạng hoạt động sinh lý.
Hình 2.1. Điều khiển sự ra hoa của cây trồng bằng tác động của chiếu sáng nhân tạo (đỏ và đỏ xa) lên chất cảm quang Phytochrome
Quá trình nhân tố ngoại cảnh (ở đây là ánh sáng) tác động tới cây trồng cần ba bước: Nhận tín hiệu, dẫn truyền tín hiệu và phản ứng trả lời.
Trong trường hợp này chất nhận tín hiệu là PC, rất mẫn cảm với tín hiệu ngoại cảnh ngay ở mức độ yếu. Tín hiệu được khuyếch đại bởi chất truyền thứ cấp. Vì vậy tín hiệu ánh sáng chỉ yêu cầu có thông lượng cực thấp.
Đối với các loại cây SDP hoặc LDP, quan trọng là chu kỳ đêm so với độ dài của đêm tới hạn quyết định điều khiển ra hoa. Để thay đổi độ dài của đêm, người ta có 3 cách chiếu sáng:
- Chiếu sáng kéo dài ngày (Day-extension lighting). Có thể chiếu đèn lúc sáng sớm đến khi mặt trời mọc hoặc chiếu đèn khi trời tối đến đêm.
- Ngắt quãng đêm vào giữa đêm (Nigh-Interrupting lighting). - Hoặc tắt bật liên tục một số giờ (Cyclic lighting).
Tác động bằng ngắt quãng đêm chỉ trong vài phút, đã có thể có tác dụng cản trở một số cây SDP ra hoa, nhưng cần tác động với thời gian ngắt quãng dài hơn nếu muốn kích thích LDP ra hoa.
Lựa chọn đúng bước sóng điều khiển Phytochrome, cường độ và chu kỳ