2.4.1. Cơ sở khoa học, lịch sử của kỹ thuật thuỷ canh
Nước có vai trò quan trọng trong sự sống, chúng có mặt trong tất cả các cơ thể sống, chúng là một trong những thành phần chính cấu tạo nên keo nguyên sinh. Mọi quá trình trao đổi chất trong cơ thể đều cần có nước tham gia. Đối với thực vật, nước là môi trường vận chuyển của các chất và tham gia vào các phản ứng sinh hóa. Bên cạnh đó nước còn ảnh hưởng gián tiếp đến quang hợp như làm giảm nhiệt độ mặt lá, đóng mở khí khổng…tuy nhiên nhu cầu nước của cây phụ thuộc vào từng giai đoạn phát triển của cây.
Từ những nghiên cứu ban đầu về trồng cây trong những lọ nước nhỏ của Robert Boyle vào năm 1666 đến nghiên cứu về trồng cây Bạc hà của Jonh Wood Ward (1699) trong nước có độ tinh khiết khác nhau1 đã mở ra hướng nghiên cứu về các yếu tố dinh dưỡng đối với cây trồng và các phương pháp trồng cây. Một loạt những nghiên cứu về yếu tố dinh dưỡng của Julius von Sachs và Wilhelm Knop trong những năm 1859-1875 dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật trồng trọt
1 Ông đã sử dụng 3 môi trường nước khác nhau là nước cất, nước tự nhiên và nước đục (dung dịch đất). Kết quả cho thấy, những cây sống trong môi trường nước đục sinh trưởng tốt nhất, tiếp đến là những cây sống trong môi trường nước tự nhiên và cây trong môi trường nước tinh khiết sinh trưởng kém nhất. Do đó, ông kết luận rằng “Sinh trưởng của cây nhờ vào các chất lấy từ đất, trong nước có chứa đất tốt hơn không có đất”
mà tiêu biểu là danh sách 9 yếu tố quan trọng cho sự phát triển của cây trồng (Douglas, 1975).
Từ dung dịch đầu tiên dùng để trồng cây do Knop đưa ra, trải qua gần 70 năm nghiên cứu và cải tiến, trong những năm 1929-1937, William Frederick Gericke thuộc Đại học California đã thực hiện các thí nghiệm trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng có chứa thành phần các nguyên tố theo tỷ lệ nhất định, từ đây, ông đề xuất thuật ngữ “Hydroponics”. Thuật ngữ hydroponics nhằm mô tả hình thức canh tác trong dung dịch nước đã hòa tan các chất dinh dưỡng. Với phương pháp canh tác này, cây trồng được cung cấp những chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây (Gericke, 1940).
Trong chiến tranh thế giới thứ II, thủy canh được quân đội Hoa Kỳ sử dụng trên một số quần đảo Tây Thái Bình Dương để cung cấp rau sạch cho quân đội mà đất đã bị ô nhiễm do chiến tranh. Từ thập niên 80, kỹ thuật thủy canh đã được ứng dụng để sản xuất rau quả và hoa có giá trị thương mại đáng kể.
Ngày nay, đã có rất nhiều dung dịch dinh dưỡng được nghiên cứu và pha chế để phù hợp với từng loại cây trồng và từng giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây. Khoa học đã liên tục nghiên cứu và cải tiến các hệ thống trồng cây trong dung dịch từ hệ thống trồng cây trong dung dịch nước sâu của Gericke (1930) cho đến hệ thống trồng trong dung dịch nước sâu tuần hoàn của Kyowa and Kubota (1977-1983); sau đó là kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng.
Hiện nay, công nghệ trồng cây trong dung dịch đã được phát triển rộng rãi trên toàn thế giới, từ đơn giản đến phức tạp. Tại những nước có nền nông nghiệp hiện đại, công nghệ thuỷ canh được nghiên cứu và thiết kế điều khiển bằng công nghệ cao, có thể sử dụng trồng nhỏ lẻ và cũng có thể sản xuất ở quy mô lớn tạo ra các sản phẩm có độ đồng đều cao, năng suất lao động cũng như độ an toàn thực phẩm được kiểm soát chặt chẽ đảm bảo an toàn với người sử dụng.
2.4.2. Các phương pháp thuỷ canh * Khái niệm: * Khái niệm:
Thuỷ canh (Hydroponics) là kỹ thuật trồng cây không dùng đất. Cây trồng được trồng trực tiếp trong môi trường dinhh dưỡng hoặc trong giá thể. Giá thể được sử dụng có thể là cát, trấu hun, sơ dừa, than bùn, sỏi nhẹ, đất nung....Kỹ thuật thuỷ canh là một trong những kỹ thuật hiện đại nhất của nghề làm vườn.
Trồng cây không sử dụng đất đã được đề xuất từ lâu bởi các nhà khoa học như Knop, Kimusa… (Hoàng Minh Tấn và Nguyễn Quang Thạch, 1994).
* Phân loại hệ thống thuỷ canh
Căn cứ vào đặc điểm dung dịch dinh dưỡng có thể chia thành hai phương pháp thủy canh như sau (FAO, 1992):
- Hệ thống thủy canh tĩnh: ở hệ thống này, rễ cây một phần được nhúng liên tục trong dung dịch dinh dưỡng, là hệ thống mà trong quá trình trồng cây dung dịch dinh dưỡng không chuyển động. Hệ thống này có ưu điểm là không phải đầu tư chi phí thiết bị làm chuyển động dung dịch nên giá thành thấp hơn, nhưng hạn chế là thường thiếu Oxygen trong dung dịch, dễ gây chua ngộ độc cho cây.
- Hệ thống thủy canh động: Là loại hệ thống mà trong quá trình trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng chuyển động, chi phí cao hơn nhưng dung dịch không bị thiếu Oxygen. Các hệ thống thủy canh động được hoạt động trên nguyên lý thủy triều, sục khí, tưới nhỏ giọt và có thể chia làm hai loại như sau:
+ Thủy canh mở: là hệ thống thủy canh động mà trong đó dung dịch dinh dưỡng không có sự tuần hoàn trở lại gây lãng phí dung dịch.
+ Thủy canh kín: là hệ thống thủy canh động mà trong đó dung dịch dinh dưỡng có sự tuần hoàn trở lại nhờ hệ thống bơm hút dinh dưỡng hồi quy.
* Kỹ thuật trồng thủy canh tĩnh
- Hệ thống trồng cây trong nước sâu (hệ thống Gericke): là phương pháp trồng cây không dùng đất đầu tiên được thực hiện năm 1930. Hệ thống này gồm một hệ thống máng chứa dung dịch, trên mặt máng căng một lớp lưới bên trên rải một lớp cát mỏng. Rễ cây nhúng hoàn toàn hay 1 phần vào dung dịch ở trạng thái tĩnh hay tuần hoàn liên tục. Người ta điều khiển khoảng cách giữa lớp lưới và bề mặt dung dịch để tăng dần khoảng lưu không ở vùng rễ ngay dưới gốc cây cho phù hợp với loại cây và tuổi của cây (Vũ Quang Sáng và cs., 2007).
Ngày nay, kỹ thuật thủy canh tĩnh được phát triển và hoàn thiện cho phù hợp với điều kiện canh tác và mục địch khác nhau. Cây trồng được trồng trong các hộp chứa dung dịch dinh dưỡng, như bình thủy tinh (thường được ứng dụng tại nhà), xô nhựa, bồn, hoặc bể chứa. Dung dịch được giữ ở mức đủ thấp để một phần rễ ở trên dung dịch để rễ có đủ oxy. Các cây trồng được trồng trong các rọ nhựa đặt vào một lỗ đực cắt vừa đủ rộng đặt nổi lên trên mặt dung dịch. Có thể có một đến nhiều cây trồng trên mỗi dụng cụ chứa. Kích thước dụng cụ chứa có thể tăng lên
khi kích thước cây trồng tăng lên. Một hệ thống trồng thủy canh tĩnh làm tại nhà có thể được xây dựng từ các hộp đựng thức ăn bằng nhựa hoặc bình thủy tinh với bình sục khí. Dụng cụ chứa được bao phủ bằng các vật liệu cắt sáng nhằm hạn chế sự hình thành tảo, rêu. Dung dịch dinh dưỡng được thay đổi theo lịch trình, chẳng hạn như mỗi tuần một lần hoặc khi nồng độ giảm xuống dưới một mức nhất định như được xác định bằng độ dẫn điện. Khi dung dịch giảm xuống do sự hút nước, dinh dưỡng của cây, dinh dưỡng được bổ sung vào dụng cụ chứa tùy thuộc vào từng loại cây trồng và mức độ tiêu hao dung dịch của cây trồng.
- Trồng cây thủy canh nổi: Là dạng trồng cây trong nước, cây được đỡ bằng vật liệu chất dẻo. Cây trồng nổi trên bè thả trên dung dịch hồi lưu được sục khí tạo thành 1 dòng bè di chuyển trên máng. Ở phương pháp này, dinh dưỡng không bị giảm đến mức rễ cây không ngập được trong dung dịch.
2.4.3. Nghiên cứu về dung dịch dinh dưỡng
Dung dịch dinh dưỡng để trồng cây bằng kỹ thuật thủy canh được nghiên cứu và phát triển cùng với sự phát triển của các kỹ thuật thủy canh. Sau khi các nhà khoa học xác định được 16 nguyên tố thiết yếu cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng bao gồm: C, H, O, N, P, Ca, Mg, S, Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, B và Cl. Đã có rất nhiều nghiên cứu về dung dịch dinh dưỡng để nuôi trồng cây bằng phương pháp thủy canh.
Dung dịch Knop là dung dịch thủy canh đầu tiên trong lịch sử phát triển của dung dịch dinh dưỡng thủy canh (từ giữa thế kỷ 19). Dung dịch Knop với thành phần dinh dưỡng đơn giản chỉ gồm 6 loại muối vô cơ trong đó có chứa các nguyên tố đa lượng và trung lượng, không có các nguyên tố vi lượng. Do vậy, cây trồng sinh trưởng trong dung dịch này không được tốt (J. Benton Jones, 2009).
Sự quan trọng của dung dịch dinh dưỡng đối với cây trồng đã được Liebig và Karl Sprengel, Wiegman và Polsof nghiên cứu và khẳng định vào năm 1942. Sau đó được Sacks khẳng định lại trong nghiên cứu về trồng thủy canh, tại nghiên cứu này, ông cũng chỉ ra rằng lông hút có vai trò quan trọng trong việc hấp thu dinh dưỡng
Theo Midmore, việc nghiên cứu để hoàn thiện dung dịch dinh dưỡng cho một loại theo từng mùa vụ là tối cần thiết vì các loại rau khác nhau yêu cầu chế độ dinh dưỡng và nước khác nhau (Howard M. Resh, 2013).
chỉ ra rằng nhiệt độ thích hợp sẽ giúp các enzim hoạt động tốt, nếu nhiệt độ cao trên 400C sẽ làm phần lớn enzyme bị biến tính.
Larsen đã pha chế ding dịch bằng cách cải tiến bằng cách cải tiến từ dung dịch của Stainer với các thành phần dinh dưỡng thấp hơn so với dung dịch ban đầu nhưng rất phù hợp với cây cà chua trong trong nhà kính, nó là cơ sở của nhiều loại dung dịch sau này.
Kết quả nghiên cứu của Carbonell et al. (1994) cho thấy, asen trong dung dịch dinh dưỡng làm tăng sự hấp thụ Fe và giảm hấp thụ Bo, Cu, Mn, Zn. Trong dinh dịch thủy canh, pH là một số đo nồng độ ion H+, dựa vào pH ta có thể xác định dung dịch có tính kiềm hay tính axit. Mỗi cây lại phù hợp với từng ngưỡng pH nhất định, thông thường trong khoảng 6,0-7,5. Nếu pH quá thấp hoặc quá cao có thể gây hại trực tiếp đến rễ cây. pH cao gây kết tủa Fe2+, Mn2+, PO43-, Ca2+, Mg2+. Nếu thiếu một trong các yếu tố trên cây sẽ bị thiếu dinh dưỡng và gây chết cây.
Độ dẫn điện (EC) của một dung dịch là khả năng dẫn điện của dung dịch này được đo bằng những điện cực có diện tích bề mặt là 1cm2 ở khoảng cách 1cm, đơn vị tính là mS/cm; hầu hết các dung dịch dinh dưỡng có giá trị EC nhỏ hơn 4 mS/cm, nếu lớn hơn sẽ gây hại cho câytrồng.
Chỉ số EC cũng như TDS2 chỉ diễn tả tổng nồng độ ion hòa tan trong dung dịch, chứ không thể hiện được nồng độ của từng thành phần riêng biệt. Trong suốt quá trình tăng trưởng cây hấp thụ khoáng chất mà chúng cần, do vậy việc duy trì giá trị EC và TDS ở một mức ổn định là rất quan trọng. Nếu dung dịch có chỉ số EC (hoặc TDS) cao thì hấp thu nước của cây diễn ra nhanh hơn sự hấp thu khoáng, hậu quả là nồng độ các chất dinh dưỡng rất cao và gây ngộ độc cho cây. Khi đó ta cần bổ sung thêm nước vào môi trường. Ngược lại, nếu chỉ số EC (hoặc TDS) thấp thì cây hấp thu chất khoáng nhanh hơn hấp thu nước và khi đó chúng ta phải bổ sung thêm chất khoáng vào dung dịch.
Sự thay đổi pH trong dung dịch dinh dưỡng thường xảy ra khá nhanh, phụ thuộc vào kích thước của hệ thống rễ và thể tích dinh dưỡng của một cây. Sự sinh trưởng của cây là một trong những nhân tố làm cho môi trường trở nên có tính axit hơn, vì trong quá trình sinh trưởng rễ giải phóng ra các axit hữu cơ và ion H+.
Ngoài ra, pH của dung dịch còn bị ảnh hưởng bởi giá thể. Một số giá thể trước khi sử dụng cần phải được xử lí để tạo tính trơ về mặt hóa học. Trong quá trình gieo trồng, đầu rễ đâm xuyên qua lớp giá thể trong suốt quá trình phát triển thì lớp tế bào bên ngoài bao quanh đầu rễ bị bong ra do tiếp xúc với những vật thể cứng, nhọn trong giá thể, đặc biệt là scoria, sỏi, cát. Vì vậy, sau khi thu hoạch và di chuyển cây ra khỏi giá thể, những phần còn lại của rễ vẫn bám giữ trên giá thể. Giá thể được sử dụng càng lâu thì những nhân tố hữu cơ đọng lại trong đó càng nhiều và cần nhiều sự điều chỉnh cần thiết để đạt được pH mongmuốn.
Độ pH có ảnh hưởng lớn đến mức độ hoạt động của các nguyên tố khác nhau với cây trồng. Dưới 5,5 thì khả năng hoạt động của P, K, Ca, Mg và Mo giảm đi rất nhanh, trên 6,5 thì Fe và Mn trở nên bất hoạt. Do đó, việc điều khiển pH của dung dịch dinh dưỡng rất quan trọng. Trong thủy canh, đa số các cây trồng thích hợp với môi trường hơi axit đến gần trung tính, pH tối ưu từ 5,8 - 6,5. Nếu pH xuống dưới 5,5 thì KOH hoặc một vài chất có tính kiềm phù hợp khác có thể được thêm vào dung dịch để pH tăng lên. Nếu pH quá cao, H3PO4 hay HNO3 có thể được sử dụng.
Ngoài ra, người ta còn có thể sử dụng một số hóa chất thích hợp có tính đệm trong dung dịch dinh dưỡng. Đó là những chất có khả năng chống lại sự thay đổi pH của môi trường, tức là duy trì nồng độ H+ trong một khoảng cho trước. Trong hệ thống thủy canh rất ít chất đệm thích hợp, thường dùng nhất là các muối của photpho (H2PO4-, HPO42-). Tuy nhiên, nếu duy trì hàm lượng photpho ở các muối trên ở mức đủ để ổn định pH (1 - 10mM) thì sẽ gây hại cho cây.
Trong nuôi trồng thủy canh, pH có thể được cân bằng bởi hoạt động của cây. Nếu pH tăng (môi trường bị kiềm hóa) khi đó cây sẽ thải ra các muối axit vào môi trường nhưng điều này lại làm tăng lượng độc tố trong môi trường và làm hạn chế sự dẫn nước. Nếu pH giảm (môi trường bị axit hóa) thì cây sẽ thải ra các ion bazơ, quá trình này có thể làm hạn chế quá trình hấp thu các muối gốc axit.
Nhìn chung, pH của môi trường thủy canh cần được kiểm tra thường xuyên 2 - 3 lần/ tuần, nên thực hiện việc kiểm tra này vào các thời điểm có nhiệt độ như nhau bởi vì pH của môi trường có thể bị thay đổi theo ánh sáng và nhiệtđộ.
Từ những dung dịch dinh dưỡng đơn giản chỉ gồm các muối vô cơ. Ngày nay, dung dịch dinh dưỡng trồng thủy canh đã bao gồm các nguyên tố thiết yếu
đa, trung, vi lượng, bổ sung vi sinh vật và các dung dịch đệm nhằm ổn định được pH dung dịch và nâng cao khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây trồng.
Đến nay, các nhà khoa học đã liên tục nghiên cứu pha chế và cho ra nhiều loại dung dịch dinh dưỡng trồng thủy canh phù hợp cho nhiều loại cây trồng khác nhau (chủ yếu là các loài rau, hoa) như dung dịch để trồng lúa của Axan, dung dịch trồng củ cải đường của Belouxov, dung dịch trồng cà chua của Mori, Winsor, Larsen, dung dịch trồng dưa chuột của Sudradfat và Herenati.
Tóm lại: Từ những thông tin tổng quan vừa nêu, chúng tôi thấy rằng, kỹ thuật thuỷ canh là kỹ thuật canh tác hiện đại, nó có thể được ứng dụng tại các không gian với diện tích nhỏ. Bằng những nghiên cứu về dung dịch dinh dưỡng và vai trò của các nguyên tố thiết yếu đối với sinh trưởng, phát triển của cây trồng, ngày nay, đã có rất nhiều dung dịch dinh dưỡng được nghiên cứu và pha chế phù hợp với nhiều loại cây trồng khác nhau.
Không khí ngày càng trở lên ô nhiễm trong đó có không khí trong nhà. Chất lượng không khí trong nhà ảnh hưởng lớn đến chất lượng sống của người dân. Việc giảm thiểu tình trạng ô nhiễm không khí trong nhà đang là vấn đề quan tâm không chỉ của các nhà quản lý mà còn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học.