Trồng cây trong dung dịch có tên khoa học là hydroponics. Từ hydroponics bắt nguồn từ tiếng Hy lạp với gốc “Hydro” (nước) và “ponics” (cơng việc). Ở Việt Nam cịn gọi thuật ngữ trồng cây trong dung dịch là “thuỷ canh” hay “thuỷ chủng”.
3.1 ðịnh nghĩa
Trồng cây trong dung dịch là kỹ thuật trồng cây khơng dùng đất, cây ñược trồng trực tiếp vào dung dịch dinh dưỡng.
3.2 Các loại dung dịch dinh dưỡng
Trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng có nghĩa là cây được trồng trong nước hoặc dung dịch muối khoáng hoặc dung dịch các chất hữu cơ. Dựa vào thành phần của dung dịch dinh dưỡng mà Schropp (1951) ñã chia dung dịch dinh dưỡng làm 4 loại sau:
- Dung dịch dinh dưỡng chỉ gồm có nước máy, nước mưa, nước ao, nước sông và nước biển,… Loại dung dịch này không cần thiết phải ñưa thêm vào bất cứ một nguyên tố khoáng nào.
- Dung dịch dinh dưỡng chỉ gồm có một hoặc một số nguyên tố khống nhất định. - Dung dịch dinh dưỡng gồm tất cả các nguyên tốña lượng cùng với một nguyên tốđặc biệt nào đó đang cần theo dõi.
- Dung dịch dinh dưỡng có đầy đủ các ngun tố cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển bình thường của cây.
Dựa trên quan ñiểm về kỹ thuật trồng cây (nuôi cây) và phương pháp ñưa thêm các nguyên tố dinh dưỡng vào dung dịch, Schropp lại chia dung dịch dinh dưỡng ra 5 loại:
- Dung dịch dinh dưỡng “tĩnh”, nghĩa là hoàn toàn khơng thay đổi trong quá trình trồng cây hoặc chỉ thay ñổi theo khoảng thời gian nhất ñịnh.
- Dung dịch dịng chảy, nghĩa là ln ln có sự thay đổi dung dịch dinh dưỡng (dung dịch dinh dưỡng “ñộng”).
- Dung dịch dinh dưỡng vô trùng, nghĩa là dung dịch ñược khử trùng bằng cách hấp vô trùng dể nuôi cấy (được sử dụng trong ni cấy mơ- in vitro).
- Trồng cây trong khơng khí (khí canh) có phun vào rễ dung dịch dinh dưỡng theo chu kỳ nhất ñịnh.
- Trồng cây trong các giá thể (cát, sỏi, trấu hun, xơ dừa,…) có tưới dung dịch dinh dưỡng.
Cần nhớ rằng, các phương pháp trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng cần có hai yếu tố quan trọng là sự thay đổi dung dịch và sự thơng khí. Do vậy, các dung dịch dinh dưỡng có thể xếp làm hai loại: đó là loại “tĩnh” khơng thơng khí và loại “động” có thơng khí. Nếu theo tiêu chuẩn chính để phân loại dung dịch dinh dưỡng thì Schropp chia dung dịch dinh dưỡng ra 5 loại trên hợp lý hơn.
Tùy theo mục đích, u cầu của công việc trồng cây mà phương pháp trồng cây trong dung dịch cần phải giái quyết các vấn ñề sau ñây:
- Cung cấp một lượng dung dịch các ngun tố khống nhất định với hàm lượng cốđịnh của các ion khống.
- Tạo ñược các ñiều kiện kiểm tra, ñiều chỉnh dung dịch trong suốt quá trình sinh trưởng, phát triển của cây.
- Có điều kiện so sánh ñược nồng ñộ của các ion khác nhau trong dung dịch dinh dưỡng.
- Theo dõi và ñánh giá thường xuyên ñược hệ thống rễ của cây.
Từ những yêu cầu cần thiết của phương pháp trồng cây trong dung dịch mà cho ñến nay người ta ñã ñưa ra nhiều hệ thống thuỷ canh khác nhau ñược trình bày dưới ñây.
3.3 Phân loại các hệ thống thuỷ canh
Dựa vào ñặc ñiểm sử dụng dung dịch dinh dưỡng ta có thể chia thành 2 kiểu hệ thống thuỷ canh chính như sau:
a. Hệ thống thuỷ canh tĩnh: ðây là loại hệ thống thuỷ canh mà trong q trình sử dụng để trồng cây, dung dịch dinh dưỡng khơng chuyển động. Hệ thống này có ưu điểm là thường thiếu oxy trong dung dịch và pH dung dịch dinh dưỡng dễ bị axit (chua).
b.Hệ thống thuỷ canh ñộng: Là hệ thống thủy canh mà trong quá trình trồng cây dung dịch dinh dưỡng có chuyển đồng nên chi phí cao, nhưng dung dịch dinh dưỡng không thiếu oxy. Hệ thống thuỷ canh ñộng ñược chia làm 2 loại:
+ Hệ thống thuỷ canh mở: là những hệ thống thuỷ canh mà trong đó dung dịch dinh dưỡng khơng có sự tuần hồn trở lại nên gây lãng phí dung dịch. Tuy nhiên, hệ thống này khơng phải đầu tư hệ thống bơm để bơm dung dịch dinh dưỡng tuần hoàn trở lại.
+ Hệ thống thuỷ canh kín: là những hệ thống thuỷ canh động mà trong đó dung dịch dinh dưỡng có sự tuần hồn trở lại nhờ một hệ thống bơm hút dung dịch dinh dưỡng ở bể chứa thấp ñưa lên hệ thống máng trồng cây. Như vậy, hệ thống này chi phí ban đầu cao nhưng tiết kiệm được dung dịch dinh dưỡng.
Sau ñây chúng ta ñi chi tiết hơn vào các phương pháp trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng ñã ñược nghiên cứu và áp dụng trên thế giới.
- Trồng cây trong nước sâu (hệ thống của Gericke)
ðây là phương pháp trồng cây không dùng ñất ñầu tiên ñược ñưa vào sản xuất do Gericke (1930) ñề xuất và ñã ñược triển khai ở trạm nghiên cứu nông nghiệp Bang California (Mỹ). ðặc điểm chính của phương pháp trồng này là rễ cây hoàn toàn hay một phần ñược nhúng trong dung dịch dinh dưỡng. Dung dịch dinh dưỡng này có thểở trạng thái tĩnh hoặc tuần hồn liên tục, có lớp cát ngăn ánh sáng khơng chiếu vào rễ. Cây được giữ trên lưới ñặt trên một máng gỗ. Trên thực tế thử nghiệm thì phương pháp trồng cây này chưa hồn thiện do oxy trong dung dịch dinh dưỡng khơng đầy dủ.
- Trồng cây thuỷ canh nổi (hệ thống hydroponic nổi)
Là một dạng trồng cây trong nước, trong đó cây ñược ñỡ nằm trên mặt dung dịch bằng những bề vật liệu chất dẻo (polystyrene xốp). Cây trồng trôi nổi trên bè thả trên dung dịch hồi lưu ñược sục khí tạo thành một dịng bè di chuyển trên máng. Hệ thống hydroponic nổi này chủ yếu ñược dùng ñể trồng rau ăn lá như xà lách, rau muống, rau cải,... và cũng có thể trồng cây ăn quả, cây hoa có thân thấp, bụi như dâu tây, hoa đồng tiền,... Trồng cây theo phương pháp này năng suất có thể không tăng so với trồng ngồi đất, nhưng năng suất tăng theo đơn vị diện tích bằng cách tăng mật ñộ trồng.
- Trồng cây trong nước sâu có tuần hoàn.
ðây là phương pháp trồng cây tiên tiến trong nước sâu ñã giải quyết ñược vấn ñề mà hệ thống Gericke vấp phải. Hệ thống của Kyowa Hydroponica là hệ thống nửa sâu, trong hệ thống này thì dung dịch dinh dưỡng ñược bơm từ bể chứa qua máy hồ khơng khí rồi chảy vào trong luống trồng, từ ñây chảy xuống mặt dưới luống và qua ống tràn chảy vào bể chứa. Các luống ñược lắp đặt từ các tấm dập khn bằng chất dẻo cứng, rễ cây ñâm qua lỗ ởñáy và 2 bên chậu con bằng chất dẻo ñặt trên nắp luống. Nhật Bản là nước áp dụng nhiều phương pháp này ñể sản xuất cà chua, dưa, xà lách và các loại rau ăn lá, ăn quả khác.
+ Hệ thống M không sử dụng bể chứa dung dịch cũng là một dạng của phương pháp trồng cây trong nước sâu có tuần hồn. Dung dịch dinh dưỡng được dẫn ra bằng một bơm
tuần hồn chảy qua máy hồ khơng khí rồi đưa trở lại vào luống qua những lỗ nhỏ nằm ở dọc ñáy luống
+ Một dạng khác của phương pháp trồng cây trong nước sâu có tuần hồn là hệ thống EinGedi (Soffer và Levinger-1980) ñưa ra ñể khắc phục những hạn chế do tiếp nước và canh tác. Ở hệ thống này, rễ cây hồn tồn chìm trong dung dịch dinh dưỡng sâu được lưu chuyển khơng khí liên tục. ðộ sâu của dung dịch ñược khống chế bằng một ống chảy hồn tràn điều chỉnh được theo u cầu của mỗi loại canh tác và từng giai ñoạn sinh trưởng của cây. Cách tiếp dung dịch theo kiểu phun dưới áp suất, tạo thành sương mù trên dung dịch đang chảy. ðộ thơng khí của hệ thống này rất tốt nên cây trồng sinh trưởng, phát triển tốt, ñặc biệt cho kết quả lý tưởng ñối với cành giâm ñể tạo rễ bất ñịnh.
+ Hệ thống KoMiZoMo là một dạng cổñiển của phương pháp trồng cây trong nước sâu tuần hoàn, luống thuỷ canh (hydroponic) với hai thành bê tơng và lót polythene. Dung dịch dinh dưỡng cũng ñược tiếp nhờ máy bơm từ bể chứa qua máy hồ khơng khí rồi chảy vào luống trồng, sau đó chảy vào bể chứa qua ống tràn.
- Trồng cây bằng kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng:
Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng gọi là NFT (Nutrient Film Technique) là một hệ thống mới trồng cây trong dung dịch có đặc trưng chỉ dùng một dịng dung dịch rất nơng có 2 tác dụng: Thứ nhất là những cây non ở trong chậu ươm có thể đứng trong máng và rễ cây nhanh chóng mọc vào trong dung dịch. Thứ hai là tỷ lệ cao giữa diện tích bề mặt đối với khối lượng dung dịch nên cho phép thơng khí tốt. Do chỉ dùng một lớp dung dịch nông nên không cần ñến những luống trồng sâu và nặng; vì thế dễ thay ñổi cách xếp ñặt khi cần thiết và giảm chi phí sản xuất.
Những đặc điểm cơ bản của hệ thống NFT: + Một bể hứng chứa dung dịch dinh dưỡng. + Một máy bơm tiếp dung dịch dinh dưỡng. + Những máng song song trong đó có trồng cây.
+ Một ống hứng (hồi lưu) ñể các máng thải dung dịch vào đó và dẫn dung dịch về bể hứng.
+ Bộ phận theo dõi và kiểm tra nồng ñộ chất dinh dưỡng, pH và mức nước của dung dịch dinh dưỡng ñể kịp thời ñiều chỉnh chúng cho phù hợp.
Một ưu ñiểm nổi bật của kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT) là cho phép ñiều chỉnh lượng nitơ phù hợp trong dung dịch dinh dưỡng ñể hàm lượng nitrat (NO3-) trong rau không vượt quá mức cho phép.
Các nước Anh, Bỉ, Hà Lan,... áp dụng hệ thống NFT ñể sản xuất xà lách, cà chua, dâu tây,... Ở Vương quốc Anh người ta ñã trồng hoa cúc theo phương pháp NFT từ năm 1975 ñến nay. Ống hứng Ống dung dịch vào luống Ống lưu chuyển Kênh Bơm Bể hứng
Hình 1.3: Những nét cơ bản của một hệ thống màng mỏng dinh dưỡng
(NFT). Dung dịch dinh dưỡng ñược bơm ñến ñầu cao nhất của máng rồi chảy xuống ñầu thấp theo một dịng nơng trước khi trở về bể hứng
Ngày nay, các hệ thống trồng cây trong dung dịch tiến tiến đã được vi tính hố, tựñộng hố hồn tồn ñểñiều chỉnh ñộ pH, ñộ dẫn ñiện (EC); ño và ñiều chỉnh nồng ñộ dung dịch dinh dưỡng, độ thơng khí cũng như cung cấp oxy cho rễ cây. Các hệ thống trồng cây này phần lớn ñược áp dụng ñể sản xuất sản phẩm an tồn ở các nước có nền kinh tế phát triển và cơng nghiệp hiện đại.
Rõ ràng là các hệ thống trồng cây trong dung dịch tuần hoàn rất phức tạp và khó triển khai vào sản xuất ñối với các nước kém phát triển cũng như các nước ñang phát triển do ñầu từ quá cao cho hệ thống bơm tuần hồn dung dịch để đảm bảo oxy cho rễ cây, chỉnh pH và hàm lượng các chất dinh dưỡng trong dung dịch. Một vấn ñề nữa là khi trồng cây trong dịng chảy tuần hồn, bệnh lây lan từ cây này sang cây khác rất nhanh khi trong hệ thống xuất hiện một cây bị bệnh.
Vấn đề khó khăn lớn nhất của kỹ thuật trồng cây trong dung dịch mà nó ảnh hưởng lớn đến sự triển khai ñại trà ñể sản xuất rau an toàn là dung dịch dinh dưỡng luôn phải ñiều chỉnh pH cho phù hợp, phải sục khí để cung cấp oxy cho rễ và cho dung dịch chảy liên tục. Vấn ñề này ñã ñược khắc phục ở hệ thống trồng cây trong dung dịch ñơn giản và tạo ra ñược dung dịch dinh dưỡng có tác dụng như kiểu dung dịch đệm giữđược pH ổn định, đó là hệ thống trồng cây trong dung dịch khơng tuần hồn của Trung tâm nghiên cứu và phát triển rau Châu Á (AVRDC)
- Hệ thống trồng cây trong dung dịch khơng tuần hồn của AVRDC:
Sau nhiều năm nghiên cứu của AVRDC ñã ñề xuất một hệ thống trồng cây trong dung dịch không tuần hồn rất hiệu quả, đơn giản và dễ triển khai ở mọi qui mơ (họ gia đình, cơ sở sản xuất lớn).
Hệ thống trồng cây trong dung dịch không tuần hồn của AVRDC được coi là hệ thống tối ưu hiện nay, ñang ñược áp dụng vào thực tế sản xuất ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Hệ thống này bao gồm:
+ Thùng chứa dung dịch dinh dưỡng (hơp xốp bằng polystyrene) có kích cỡ xác định cho rau ăn lá và rau ăn quả.
+ Rọ bằng nhựa (có nhiều lỗ xung quanh rọ) ñểñựng giá thể trồng cây, gieo hạt. Theo nhiều nghiên cứu của AVRDC giá thể trấu hun là tốt nhất nhưng có thể dùng vật liệu khác như: mẩu thừa của công nghiệp dệt và may mặc. gạch vụn, bấc bơng, đá cuội, xơ dừa,... Các giá thể này có thể sử dụng lại nhiều lần nếu mỗi ñợt trồng cây chưa biểu hiện nhiễm khuẩn, bệnh. Cần rửa sạch rọ và giá thể sau mỗi lần trồng cây.
+ Trên nắp hộp xốp ñược ñục các lỗñểñặt rọ trồng cây. Theo Hideo IMai và David Midmore (tác giả của hệ thống) thì:
Nhiệt độ dung dịch dinh dưỡng 28 oC là ñặc trưng cho hệ thống thuỷ canh của AVRDC, sử dụng hộp xốp polystyrene thích hợp cho rễ cây sinh trưởng.
Mức dung dịch trong hộp xốp phải ñảm bảo ñộ sau 15- 20cm trong suốt quá trình sinh trưởng, phát triển của cây (nếu thấp hơn 15cm thì khơng có chỗ hình thành rễ khí- Phần rẽở khoảng khơng để hút oxy).
Khơng cần sục khí để cung cấp oxy cho rễ cây.
Nước sử dụng cho hệ thống hydroponic của AVRDC phải có chất lượng cao. Nước thải, nước chất lượng kém làm giảm năng suất rau.
Mật ñộ trồng nên cao hơn 10- 20% so với trồng ngoài ñồng. Hệ thống thuỷ canh của AVRDC có những ñặc ñiểm sau:
+ Dung dịch dinh dưỡng phù hợp cho hầu hết các loại cây trồng, ñặc biệt là rau. pH của dung dịch dinh dưỡng ổn ñịnh.
+ Có khoảng cách thích hợp giữa mặt nước và gốc cây tạo ñiều kiện cho một phần rễ nằm lơ lửng trong khơng khí, phần rễ cịn lại nhúng trong dung dịch để hút nước và dinh dưỡng. Do vậy, cây sinh trưởng tốt mà không cần sục khí.
+ Hộp xốp kín đựng dung dịch dinh dưỡng có tác dụng cách nhiệt làm nhiệt ñộ trong dung dịch tương ñối ổn ñịnh, ấm về mùa ñông và mát về mùa hè; và tránh ánh sáng cho bộ rễ, tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự sinh trưởng, phát triển của cây.
+ Hộp gọn nhẹ, dễ di chuyển khi cần tránh mưa gió bão,... đơn giản dễ làm, đặt bất cứ chõ nào như hành lang, ban công, sân thượng,...
Hệ thống cây trồng trong dung dịch khơng tuần hồn cải tiến của AVRDC được thể hiện ở mơ hình dưới ñây:
- Hệ thống trồng cây thuỷ canh phổ biến:
Có thể nói phương pháp trồng cây trong dung dịch khơng tuần hồn của AVRDC là đơn giản, dễ làm và hiệu quả. Nhưng trên thực tế chúng ta cịn có thể sử dụng những vật liệu đựng trong dung dịch hết sức ñơn giản và ña dạng ñể trồng cây như thùng xốp, chậu nhựa, chậu sứ cho đến lốp ơtơ, túi nilon, ống tre,... đểđựng dung dịch. Giá thểđỡ cây có thể là