2.3.1. Khái niệm và sơ lược lịch sử phát triển phương pháp thủy canh 2.3.1.1. Khái niệm phương pháp thủy canh
Thủy canh (Hydroponics) là hình thức canh tác trồng cây trong dung dịch, là biện pháp kỹ thuật trồng cây không dùng đất. Cây trồng được trồng trên hoặc trong dung dịch dinh dưỡng, sử dụng dinh dưỡng hòa tan trong nước dưới dạng
dung dịch và tùy theo từng kỹ thuật mà toàn bộ hoặc một phần bộ rễ cây được ngâm trong dung dịch dinh dưỡng. Trồng cây trong dung dịch đã được đề xuất từ lâu đời bởi các nhà khoa học như Knop, Kimusa... Những năm gần đây, phương pháp này vẫn tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện và sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
2.3.1.2. Sơ lược lịch sử phát triển phương pháp thủy canh
Công nghệ trồng cây không sử dụng đất (soilless culture) đã xuất hiện từ khá lâu trên thế giới và cho đến nay đã trở nên quen thuộc và phổ biến ở rất nhiều quốc gia. Trong những năm gần đây, một số nước như Thái Lan, Singapore, Israel... đã phát triển mạnh công nghệ sản xuất rau sạch và hoa để phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu bằng công nghệ này.
Thí nghiệm đầu tiên trồng cây trong dung dịch được tiến hành năm 1699 bởi Woodward (Anh). Giữa thế kỷ 19, Sachs and Knop đã phát triển phương pháp trồng cây không sử dụng đất. Thuật ngữ Thủy canh (Hydroponic) được đưa ra lần đầu tiên bởi Dr. W. F. Gericke vào cuối những năm 1930 để mô tả cách trồng cây không dùng đất và bón phân ở dạng dung dịch pha loãng. Trong những năm chiến tranh thế giới thứ II đã phổ biến trồng rau thủy canh ở Bang California.
Sau chiến tranh thế giới thứ II, do nguyên nhân vệ sinh thực phẩm rau quả tươi và xà lách, quân đội Mỹ đã xây dựng một cơ sở có quy mô lớn (ở gần Nhật Bản) để sản xuất rau, trong đó có 2 ha giành cho kỹ thuật trồng rau trong dung dịch.
Năng suất cây trồng đạt cao: dưa chuột 103 tấn/ha, hành xanh 63 tấn/ha (FAO, 1992). Vườn treo Babylon và vườn nổi của các thổ dân Mêxico là hai ví dụ điển hình về thủy canh, đã xuất hiện từ rất lâu. Hydroponic là từ có nguồn gốc Hy Lạp, được hình thành từ: “Hydro” có nghĩa là nước và “Ponos” có nghĩa là lao động.
Chính vì vậy đã có sự nhầm lẫn khi cho rằng thủy canh (hydroponic) là kiểu trồng cây trong nước (trong dung dịch) ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, một phần do việc dịch thuật, một phần do đây là phương pháp trồng cây khá mới nên việc nhầm lẫn khá phổ biến và là điều khó tránh khỏi. Thực ra, thủy canh (hydroponic) là phương pháp trồng cây không sử dụng đất (soilless culture) trong đó cây trồng được cung cấp dinh dưỡng ở dạng dung dịch. Việc phân chia ra nhiều tên gọi, nhiều kiểu trồng cây khác nhau là tùy thuộc vào hệ thống cung cấp dinh dưỡng. Trong thủy canh (hydroponic) hay trồng cây không sử dụng đất (soilless culture) có các hệ thống trồng cây chủ động chủ yếu như sau: Hệ thống trồng cây trong dung dịch (Water Culture System); Hệ thống ngập chìm tạm thời
(Ebb & Flood System hay Flood & Drain System); Hệ thống màng dinh dưỡng (Nutrient Film Technique - NFT); Hệ thống khí canh (Aeroponic System); Hệ thống nhỏ giọt (Drip System). Trong đó, hệ thống nhỏ giọt là phổ biến nhất, được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới nhờ những ưu điểm như sử dụng đơn giản, giá thành hợp lí, áp dụng được cho nhiều loại cây trồng, tính cơ động cao (Võ Thị Bạch Mai, 2003).
2.3.2. Cơ sở khoa học của phương pháp thủy canh
Nước có vai trò vô cùng quan trọng đối với đời sống sinh vật nói chung và thực vật nói riêng. Có thể nói “ ở đâu có nước ở đó có sự sống”. Nước là thành phần cấu tạo nên chất nguyên sinh, thành phần của vật chất tươi trong cây bao gồm 80 - 95% nước, mọi quá trình trao đổi chất trong cơ thể đều có nước tham gia. Nước là môi trường vận chuyển các chất và tham gia vào các phản ứng hóa sinh để tạo chất khử mang năng lượng lớn dùng để khử CO2 trong cơ thể thực vật.
Bên cạnh đó, nước còn ảnh hưởng gián tiếp đến quang hợp như làm giảm nhiệt độ mặt lá, mở khí khổng… Tuy nhiên, nhu cầu nước nhiều hay ít phụ thuộc vào từng giai đoạn phát triển của cây.
Cùng với nước thì các chất khoáng cũng có vai trò quan trọng đối với hoạt động sống của cây. Khi nghiên cứu nhu cầu dinh dưỡng của cây từ năm 1849 – 1856, Salm Horstmar đã chứng minh rằng cây lúa mạch muốn sinh trưởng phát triển bình thường cần bổ sung các nguyên tố N, P, S, Ca, K, Mg, Si, Fe, Mn. Đến năm 1938, hai nhà sinh lý học thực vật người Đức là Sachs và Knop đã phát hiện rằng để cây sinh trưởng và phát triển bình thường phải cần đến 16 nguyên tố cơ bản: C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, Bo, Cl. Từ đó, các ông đề xuất phương án trồng rau trong dung dịch.
Như vậy cơ sở khoa học của kỹ thuật thủy canh là dựa vào một số yếu tố như nước, muối khoáng, ánh sáng, sự lưu thông không khí… mà không cần dùng đất.
2.3.3. Các hệ thống thủy canh
2.3.3.1. Hệ thống thủy canh (Hydoponic)
Căn cứ vào đặc điểm sử dụng dinh dưỡng có thể chia thành hai hệ thống thủy canh sau:
Hệ thống thủy canh tĩnh: Ở hệ thống này, một hoặc toàn bộ rễ cây 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 ôxy trong dung dịch và dễ sinh ra chua gây ngộ độc cho cây.
Hệ thống thủy canh động: Đây là loại hệ thống mà trong quá trình trồng cây, dung dịch dinh dưỡng có sự chuyển động; chi phí cao hơn nhưng cây trồng không bị thiếu ôxy. Các hệ thống thủy canh động hoạt động trên nguyên lý thủy triều, sục khí, tưới nhỏ giọt. Hệ thống thủy canh này 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 một hệ thống bơm hút dung dịch dinh dưỡng từ bể chứa.
2.3.3.2. Hệ thống khí canh (Aeroponic)
Tại Hội nghị ISOSC, Steiner đã định nghĩa : “ Đây là hệ thống mà rễ cây được đặt trong môi trường bão hòa, với các giọt dinh dưỡng liên tục hay giãn đoạn dưới dạng sương mù, hoặc phun”, Jonh Hason (1980). Hệ thống này, cây được trồng trong những lỗ, ở các tấm polystyrene xốp hoặc vật liệu khác, nhưng rễ cây chỉ được treo lơ lửng trong môi trường không khí phía dưới tấm đỡ. Trong hộp có phun mù, hộp được che kín sao cho rễ nằm trong hộp được phun định kì 2-3 phút một lần. Với hệ thống này không phải dùng giá thể trơ, dinh dưỡng được phun trực tiếp đến rễ, oxygen được cung cấp đầy đủ tuy nhiên có hạn chế là cần giá trị năng lượng cao, khó thực hiện được trên những loại cây sinh trưởng dài ngày và có bộ rễ lớn như cà chua, dưa chuột.
2.3.4. Một số ưu nhược điểm của phương pháp thủy canh 2.3.4.1. Ưu điểm
Chủ động điều chỉnh dinh dưỡng cho cây trồng thông qua việc cung cấp các chất cần thiết cho từng giai đoạn trong quá trình sinh trưởng phát triển theo yêu cầu của cây.
Giảm bớt công lao động do không phải làm đất, xới xáo, và làm sạch cỏ dại trong quá trình canh tác.
Không phải tưới nước, dễ thanh trùng và kiểm soát dịch bệnh.
Nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng do kiểm soát được các chất dinh dưỡng cây trồng hấp phụ. Theo Lê Đình Lương (1995), năng suất cây trồng trong
dung dịch có thể cao hơn so với cây trồng ở đất từ 25-500% do có thể trồng liên tục (Lê Đình Lương, 1995).
Chủ động được thời vụ và kế hoạch sản xuất.
Với kỹ thuật khí canh có thể ứng dụng sản xuất gieo ươm cây giống sạch bệnh trồng trong các nhà kính, nhà lưới hiện đại.
Thúc đẩy trình độ sản xuất nông nghiệp ngày một phát triển theo hướng nông nghiệp công nghệ cao.
2.3.4.2. Nhược điểm
Đầu tư ban đầu lớn dẫn đến giá thành sản phẩm cao là nguyên nhân các nước nghèo khó có điều kiện triển khai công nghệ này, đồng thời người tiêu dùng ở những nước này ít có nhu cầu sử dụng cũng như tiếp cận.
Yêu cầu trình độ kỹ thuật cao cũng như hiểu biết về các đặc tính sinh vật, hóa học của cây trồng, phân bón, hóa chất cho cây.
Sự lan truyền bệnh nhanh: Khi mầm bệnh xuất hiện thì trong thời gian ngắn chúng sẽ lan truyền và có mặt ở toàn hệ thống. Đặc biệt trong các hệ thống kín dung dịch có hồi lưu. Do đó đòi hỏi nguồn nước đảm bảo, phải được khử trùng trước khi đưa vào sử dụng.
2.3.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng sản xuất rau bằng phương pháp thủy canh
2.3.5.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng sản xuất rau thủy canh trên thế giới Hiện nay nhiều quốc gia trên khắp thế giới đã đi trước chúng ta hàng chục năm trên lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ kỹ thuật cao vào nông nghiệp như công nghệ sinh học, công nghệ nhà kính, công nghệ hóa học, công nghệ tự động hóa, công nghệ trồng rau không dùng đất… vào sản xuất các sản phẩm rau và hoa cao cấp. Nhờ đó mà năng suất và chất lượng rau trên thế giới tăng lên gấp nhiều lần, mang lại lợi nhuận khổng lồ cho các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Nhật, Úc…
Ở Bắc Âu, năm 1991 đã có 4000 ha trồng rau trong dung dịch, ở Mỹ có 220 ha trồng trong nhà kính, trong đó có 75% ha diện tích rau được trồng bằng công nghệ không dùng đất. Ở Hà Lan có 3600 ha và Nam Phi có 400 ha trồng rau trong dung dịch. Nước Hà Lan có nền công nghiệp phát triển diện tích việc áp dụng trồng cây không dùng đất trong mấy năm qua tăng đáng kể. Từ 515 ha (1982), lên 800 ha (1992), 1000 ha (1984), 3000 ha (1991) (Hồ Hữu An, 2005).
Tại Anh, người ta xây dựng một hệ thống kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng sử dụng nhiệt thừa của nhà máy điện với diện tích 8,1 ha để trồng cà chua.
Ở Pháp, từ năm 1975 người ta đã ứng dụng công nghệ này không những trồng rau mà còn trồng hoa với quy mô 300 ha.
Ở Singapo, người ta đã trồng các loại rau diếp, bắp cải, cà chua, su hào và một số loại rau ôn đới khác với kỹ thuật aeroponic. Trước đây, các loại rau ôn đới trồng ở Singapore rất khó khăn nhưng với kỹ thuật mới này thì các loại rau hiện nay được trồng tương đối dễ dàng.
Tại Gabong với kỹ thuật trồng không dùng đất, năng suất dưa tây đạt 3kg/m2 sau trồng 75 ngày, dưa chuột 7kg/m2 sau trồng 90 ngày.
Từ năm 1983 – 1984 ở Nhật Bản người ta đã trồng RAT với công nghệ không dùng đất tăng khoảng 500ha, năng suất cà chua đạt 130 – 140 tấn/ha/năm và xà lách đạt 700 tấn/ha/năm (Hồ Hữu An, 2005).
2.3.5.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng sản xuất rau thủy canh trong nước Nguyễn Minh Chung và cộng sự (2007) tiến hành nghiên cứu 7 công thức giá thể trên 3 loại rau: xà lách, cải xanh và cần tây trong đó giá thể của Viện Thổ nhưỡng Nông hóa làm đối chứng (giá thể gốc), 6 công thức còn lại được phối trộn theo những tỷ lệ nhất định giữa giá thể gốc, trấu hun và sơ dừa. Thí nghiệm được tiến hành từ tháng 5 đến tháng 8/2009 tại Viện Nghiên cứu Rau Quả Hà Nội. Kết quả cho thấy: Bảy loại giá thể thí nghiệm có ảnh hưởng khác nhau đến sinh trưởng, năng suất, chất lượng của cải xanh, xà lách và cần tây. Trong đó, giá thể phối trộn 50 % giá thể gốc + 50 % vụn xơ dừa làm giá đỡ trồng cây bằng kỹ thuật thủy canh cho kết quả tốt nhất đối với xà lách, cải xanh và cần tây. Cả 7 giá thể này đều cho sản phẩm rau an toàn.
Nguyễn Minh Chung và cộng sự (2007) 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
suất trung bình đạt 27,7 tạ/1000m2, lãi xuất thu được là 14.500.000 đồng/vụ/1000m2.
Cùng với đó là các đề tài nghiên cứu kỹ thuật trồng rau xà lách, rau muống, rau cải, cần tây…bằng phương pháp thủy canh năm 2016 tại Viện Sinh học Nông nghiệp, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã xác định được những thông số cơ bản như dung dịch dinh dưỡng, chỉ số EC, mật độ trồng, … thích hợp cho từng đối tượng rau ăn lá của sinh viên Nguyễn Thị Tố Uyên, Nguyễn Thị Hương Huệ.
Nguyễn Quang Thạch và cộng sự (1998) đã tự pha chế 2 dung dịch dinh dưỡng (NC1 và NC2) để trồng thử nghiệm một số loại rau ăn lá và kết luận: Cả 2 dung dịch mà hoàn toàn chủ động về pha chế là NC1 và NC2 đều cho sản phẩm rau xà lách và rau cải có chất lượng tương đương, năng suất đạt từ 70-90% so với cùng loại rau trồng bằng dung dịch nhập từ AVRDC; nhưng giá 2 dung dịch tự pha chế chỉ bằng 1/3 nên giá thành rau đã giảm 22-27% so với sử dụng dung dịch nhập từ AVRDC.
Nguyễn Thị Nhẫn và Nguyễn Quang Thạch (1995) khi nghiên cứu việc đưa cây dứa nuôi cấy mô ra vườn ươm để sản xuất dứa thủy canh đã nhận xét:
sau 2 tháng cây dứa thủy canh có các chỉ tiêu sinh trưởng tăng khối lượng gấp 8 lần so với trồng trên nền cát.
Phạm Thị Kim Thu và Đặng Thị Vân (1997) cho biết: Cây chuối sau invitro được ươm bằng thủy canh mập hơn, khỏe hơn so với ươm trên đất thịt nhẹ + cát và phù sa nên rút ngắn được thời gian sản xuất được 2 tháng.
Phạm Ngọc Sơn (2006) nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật thủy canh và khí canh trong sản xuất rau cải xanh, xà lách ở Hải Phòng đã kết luận: cây con gieo bằng kỹ thuật thủy xanh, khí canh cho xuất vườn sớm hơn so với gieo trên nền đất; cây con có khả năng thích ứng nhanh với điều kiện sản xuất và cho năng xuất cao hơn. Cây trồng bằng kỹ thuật thủy canh, khí canh cho năng xuất cao và sản phẩm an toàn.