CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.4. Tổng quan về hệ thống thủy canh
Thuỷ canh (Hydroponics) là kỹ thuật trồng cây không dùng đất mà trồng trực tiếp vào môi trường dinh dưỡng hoặc giá thể mà không phải là đất. Các giá thể có thể là cát, trấu, vỏ xơ dừa, than bùn, vermiculite perlite.
Kỹ thuật thủy canh là một trong những nghề làm vườn hiện đại. Chọn lựa môi trường tự nhiên cần thiết cho cây phát triển là chọn sử dụng những chất thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây, tránh được sự phát triển của côn trùng, cỏ dại và các bệnh tật từ đất (Nguyễn Quang Thạch, 1995).
1.4.2. Vai trò của thủy canh trong trồng trọt
Thủy canh là một giải pháp tốt hiện nay trong điều kiện đất đai đang bị thu hẹp và chịu nhiều tác động xấu do biến đổi khí hậu, bùng nổ dân số và ô nhiễm do quá trình công nghiệp hóa ở các quốc gia.
Hệ thống thủy canh hiện nay không chỉ đáp ứng được các yêu cầu của nông nghiệp hiện đại mà nó còn đáp ứng được các nhược điểm mà hình thức canh tác truyền thống (trồng trên đất) gặp phải như: tốn diện tích, tốn công lao động, khả năng bị sâu bệnh phá hoại lớn, phải dùng thuốc bảo vệ thực vật, và không trồng được ở các vùng có điều kiện canh tác khó khăn…
Thủy canh có một số ưu, nhược điểm hơn so với canh tác truyền thống như sau:
❖ Ưu điểm
- Không cần diện tích đất nhiều, tận dụng được không gian
- Trồng được những vùng có điều kiện canh tác khó khăn như vùng sâu, vùng xa, hải đảo hay sa mạc…
- Tận dụng được lao động kể cả người già và trẻ em vì không nặng nhọc - Không tốn công chăm sóc như nhổ cỏ, bón phân
- Không phải dùng thuốc bảo vệ thực vật nên rất an toàn và bảo vệ môi trường - Không tồn tại các chất độc hại do kiểm soát được các chất cung cấp cho cây - Năng suất cao do trồng được nhiều vụ, trồng được trái vụ
❖ Nhược điểm
- Giá thành cao do đầu tư ban đầu lớn. Điều này rất khó mở rộng sản xuất vì điều kiện kinh tế của người dân còn nhiều khó khăn nên không có điều kiện đầu tư cho sản xuất. Mặt khác giá thành cao nên tiêu thụ khó khăn.
- Yêu cầu kỹ thuật cao: Khi sử dụng kỹ thuật thủy canh yêu cầu người trồng phải có kiến thức về sinh lý cây trồng, về hóa học và kỹ thuật trồng trọt cao hơn vì tính đệm hóa trong dung dịch dinh dưỡng thấp hơn trong đất nên việc sử dụng quá liều một chất dinh dưỡng nào đó có thể gây hại cho cây, thậm chí dẫn đến chết (FAO, 1992). Mặt khác mỗi loại rau yêu cầu một chế độ dinh dưỡng khác nhau nên việc pha chế dinh dưỡng phù hợp với từng loại thì không đơn giản.
- Sự lan truyền bệnh nhanh: Mặc dù đã hạn chế được nhiều sâu bệnh hại nhưng trong không khí luôn có mầm bệnh, khi xuất hiện thì một thời gian ngắn chúng có mặt trên toàn bộ hệ thống, đặc biệt là hệ thống thủy canh tuần hoàn (Midmore D.J, 1993). Mặt khác ẩm độ cao, nhiệt độ ổn định trong hệ thống là điều kiện thuật lợi cho sự phát triển cuả bệnh cây. Cây trồng trong hệ thống thủy canh thường tiếp xúc với ánh sáng tán xạ nên mô cơ giới kém phát triển, cây mềm yếu, hàm lượng nước cao nên dễ xuất hiện vết thương tạo điều kiện cho vi sinh vật xâm nhập.
- Đòi hỏi nguồn nước đảm bảo tiêu chuẩn nhất định: Theo Midmore thì độ mặn trong nước cần được xem xét kỹ khi sử dụng cho trồng rau thủy canh, tốt nhất là nhỏ hơn 2.500 ppm (Midmore D.J và cs., 1995).
1.4.3. Lịch sử phát triển thủy canh
Kỹ thuật trồng cây trong dung dịch đã có từ lâu đời, ở đầu thế kỷ thứ XVII.
Boyle đã tiến hành cho cây vào trong lọ nước, ông thấy cây vẫn sinh trưởng và phát triển bình thường từ đó ông kết luận sự tăng trưởng của cây là do hấp thụ nước và chuyển hóa nước thành những chất của thực vật (Brown, G. Krelle & M, 2003).
Đến năm 1699, John Wood Word đã trồng bạc hà trong nước có độ tinh khiết khác nhau. Kết quả là trong nước đục cây sinh trưởng tốt hơn nước cất, ông cho rằng sinh trưởng của cây là do cây lấy các chất từ đất, cây sinh trưởng trong nước chứa đất tốt hơn là cây sinh trưởng trong nước không chứa đất.
Đến thế kỷ thứ XIX, Snachs (1860) và Knob (1861) đã đề xuất phương pháp trồng cây trong dung dịch khi phát hiện 16 nguyên tố cơ bản: C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, B, Cl. Trong 16 nguyên tố trên nếu thiếu một nguyên tố thì cây không thể hoàn thiện chu kỳ sinh trưởng và phát triển của mình, 7 nguyên tố cây cần với lượng thấp nên được gọi là nguyên tố vi lượng, các nguyên tố còn lại
là nguyên tố đa lượng. Các nguyên tố C, H, O cây lấy chủ yếu từ nước (H2O) và không khí (CO2), còn lại các nguyên tố cây phải lấy từ đất. Như vậy con người hoàn toàn có thể trồng cây trong dung dịch có đầy đủ các chất dinh dưỡng trên mà không cần dùng đất (Lê Đình Lương, 1995).
Từ dung dịch của Knop, cho đến nay đã có hàng loạt dung dịch trồng cây được nghiên cứu và đề xuất. Yêu cầu chính của hệ thống cây trồng trong dung dịch là làm sao để cung cấp dinh dưỡng thường xuyên cho cây trồng vừa đảm bảo được O2 cung cấp cho rễ cây. Có rất nhiều mô hình trồng cây trong dung dịch ra đời, từ hệ thống trồng trong dung dịch nước sâu của Gericke (1930), cho tới hệ thống trồng trong dung dịch nước sâu có tuần hoàn của Kioga, Kubota (1977) và gần đây nhất là kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT). Tuy nhiên các hệ thống này đều khó phát triển do phức tạp đầu tư trang thiết bị quá cao mặt khác sử dụng dung dịch tuần hoàn dễ lây lan mầm bệnh (Nguyễn Xuân Nguyên, 2004).
Hệ thống cây trong dung dịch không tuần hoàn của trung tâm nghiên cứu rau châu Á (AVRDC) được áp dụng khá rộng rãi, nhất là các nước đang phát triển bởi vì chi phí thấp, kỹ thuật đơn giản mà cây vẫn sinh trưởng phát triển tốt và cho năng suất cao.
Kỹ thuật thủy canh có nhiều ưu điểm nổi bật, đây là một kỹ thuật trồng cây không cần đất, không phải cày bừa và không có cỏ dại, do đó không mất chi phí bảo vệ thực vật. Với kỹ thuật này chúng ta có thể chủ động thời vụ và có thể trồng quanh năm, luân canh liên tục trên một diện tích có thể tăng năng suất cây trồng (cao hơn từ 20 – 50%), sử dụng hiệu quả lao động và thời gian. Sản phẩm hoàn toàn sạch, chất lượng cao do chủ động được các chất dinh dưỡng cho cây hút trong từng thời kỳ. Kỹ thuật này cho phép sản xuất nông nghiệp trên quy mô công nghiệp.
Tuy nhiên thủy canh cũng có một số nhược điểm như đầu tư cơ bản lớn, giá thành sản phẩm cao hơn trồng đất. Muốn sử dụng được kỹ thuật thủy canh thì lao động phải có trình độ kỹ thuật, cây thủy canh yêu cầu chặt chẽ về chế độ dinh dưỡng, pH nên phải thường xuyên kiểm tra và thay đổi dinh dưỡng cho phù hợp.
Trồng cây trong dung dịch nên khả năng lan truyền bệnh rất nhanh, đặc biệt là hệ thống cây trồng trong dung dịch tuần hoàn, do đó phải làm tốt công tác khử trùng dụng cụ và dung dịch.
1.4.4. Phân loại hệ thống thủy canh
Căn cứ vào đặc điểm dung dịch dinh dưỡng có thể chia hệ thống thủy canh làm 2 loại (FAO, 1992):
- Hệ thống thủy canh tĩnh: dung dịch dinh dưỡng không chuyển động trong quá trình trồng cây. Rễ cây được nhúng một phần hay hoàn toàn trong dung dịch dinh dưỡng. Hệ thống này có ưu điểm là chi phí đầu tư thấp vì không cần hệ thống làm chuyển động dung dịch nhưng hạn chế là thường thiếu oxy và pH thường giảm gây ngộ độc cho cây.
- Hệ thống thủy canh động: Dung dịch có chuyển động trong quá trình trồng cây. Hệ thống này chi phí cao hơn nhưng rễ cây không bị thiếu oxy. Các hệ thống thủy canh dược hoạt động trên nguyên lý thủy triều, sục khí và tưới nhỏ giọt. Hệ thống này được chia làm 2 loại:
+ Hệ thống thủy canh mở: Dung dịch dinh dưỡng không có sự tuần hoàn trở lại, gây lãng phí dung dịch.
+ Hệ thống thủy canh kín: Dung dịch dinh dưỡng có sự tuần hoàn trở lại nhờ hệ thống bơm hút dung dịch dinh dưỡng từ bể chứa.
1.4.5. Hệ thống thủy canh bấc đèn sử dụng trong thí nghiệm
Thủy canh bấc đèn (wick system) là một trong những hệ thống thủy canh đơn giản đã được nghiên cứu và sử dụng từ nhiều năm trước đây. Nguyên lý của hệ thống này là sử dụng một loại vải bấc để thấm hút nước và và dinh dưỡng từ thùng chứa lên cung cấp cho giá thể chứa trong khay đựng giá thể. Cây sẽ được trồng vào trong giá thể và hút trực tiếp nước, dinh dưỡng từ giá thể (Ferrarezi và cs., 2012).
Có 4 thành phần chính trong một hệ thống bấc đèn: khay trồng, thùng chứa, bấc và hệ thống sục khí.
Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt ngang của hệ thống thủy canh bấc đèn
- Khay trồng
Các khay trồng trong một hệ thống bấc đèn khác với hệ thống thủy canh khác ở chỗ nó không sử dụng các chậu để giữ giá thể trồng. Giá thể trồng được đổ lên toàn bộ khay trồng, cây giống được trồng trực tiếp lên khay. Các loại giá thể tốt nhất được sử dụng trong hệ thống này sẽ không tiêu hao quá nhanh và sử dụng hệ thống bấc hiệu quả nhất. Vermiculite, perlite và hỗn hợp giá thể không dùng đất là những lựa chọn tốt; chúng có khả năng thấm hút tốt nhưng không trở nên ẩm ướt như đất.
- Bộ phận thùng chứa
Thùng chứa cũng tương tự như bất kỳ các hệ thống khác. Nó là một thùng đựng dinh dưỡng và nước được đặt phía dưới khay trồng. Nước trong thùng chứa phải được thay mới mỗi tuần hoặc lâu hơn.
- Hệ thống sục khí
Hệ thống sục khí phổ biến nhất là một bơm và đá thông khí. Đá thông khí giống như đá trong hồ cảnh, được đặt trong nước và kết nối với một máy bơm không khí bên ngoài các thùng chứa. Máy bơm đẩy không khí qua đá đó, thổi ra bong bóng nhỏ để phân phổi oxy qua nước.
- Hệ thống bấc
Các thùng chứa được kết nối với hai hoặc nhiều bấc. Các bấc sử dụng mao dẫn để vận chuyển dung dịch dinh dưỡng vào giá thể và rễ của cây. Loại bấc dễ nhất để dùng là sợi dây thừng nhưng sau một thời gian nó có thể dễ bị nấm mốc hoặc bị thối. Nếu có kế hoạch sử dụng hệ thống trong một thời gian dài thì phải kiểm tra dây bấc định kỳ. Ngoài ra dây nilon cũng rất hiệu quả và không mốc hay thối.
Các bấc được chèn vào khay trồng thông qua các lỗ nhỏ. Chúng ta có thể thêm một miếng cao su kết nối giữa phần bấc và khay trồng hoặc chắc chắn rằng các lỗ nhỏ hơn một chút so với các bấc để ngăn chặn bấc cứ giá thể nào rớt xuống thùng chứa.
Số lượng bấc dùng phụ thuộc vào một số yếu tố: tổng kích thước của hệ thống, số lượng cây được trồng, lượng giá thể và vật liệu dùng làm bấc. Một nguyên tắc nhỏ là sử dụng một bấc cho một cây, và chắc chắn rằng mũi của bấc được đặt gần rễ cây.