L ời cảm ơn
4. Những đóng góp mới của đề tài
1.3. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ KĨ THUẬT THỦY CANH
1.3.1. Khái niệm về 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... (Hoàng Minh Tấn và Nguyễn Quang Thạch, 1994) [30].
1.3.2. Lịch sử phát triển của kỹ thuật thủy canh
trồng cây trong lọ còn chỉ chứa nước, cây vẫn sống. Tiếp theo, John Wood ward (1699) [42] đã trồng cây Bạc Hà trong nước có độ tinh khiết khác nhau. Ông nhận thấy, cây sinh trưởng trong nước tự nhiên (không tinh khiết) tốt hơn trong nước cất và cây sinh trưởng tốt nhất trong nước đục (dung dịch đất). Do đó, ông kết luận rằng: Sinh trưởng của cây nhờ các chất lấy từ đất, trong nước có chứa đất tốt hơn nước không có đất. Năm 1804, Desaussure đã đề xuất rằng: cây hấp thụ các nguyên tố hóa học từ nước, đất và không khí. Nhận định này bị thay đổi bởi Bowsingaul (1802 - 1998) [42]. Trong các thí nghiệm của mình với cây trồng trong cát và các giá thể trơ khác được tưới dung dịch hỗn hợp hóa học đã biết ông rút ra kết luận rằng nước là yếu tố cần thiết cho chất sinh trưởng và cung cấp Hydrogen. Vật chất khô trong cây gồm Hydrogen, các hợp chất Cacbon và Oxygen lấy từ không khí. Sau một thời gian dài nghiên cứu, thế kỷ 19, Sachs (1860) và Knop (1861) đã đề xuất phương pháp trồng cây trong dung dich nước (tức là phương pháp nuôi cây trong nước) có chứa các chất khoáng mà cây cần. Từ dung dịch đầu tiên dung trồng cây do Knop sản xuất trài qua gần 70 năm nghiên cứu và cải tiến đến đầu những năm 1930 W.F. Gericke ở trường Đại học California (Mỹ) đã tiến hành các thí nghiệm trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng có chứa thành phần các nguyên tố theo tỷ lệ nhất định mà cây cần, thuật ngữ “Hydroponics” ra đời từ đây và Hydroponisc có thể định nghĩa là khoa học không dùng đất, hướng sử dung giá thể trơ, như: cát, sỏi, than bùn, bọt đá, mùn cưa... được tưới dung dịch dinh dưỡng chứa tất cả các nguyên tố thiết yếu mà cây cần cho sự sinh trưởng, phát triển. Phải đến năm 1943 trước khi chiến tranh thế giới thứ II kết thúc rau mới được chính thức đưa vào sản xuất hàng loạt trong dung dịch. Khi đó quân đội Mỹ ở Nhật Bản thiếu rau xanh đã sử dụng phương pháp trồng hàng loạt rau trong dung dịch dinh dưỡng. Từ đó tới nay, người ta liên tục nghiên cứu, cải tiến các hệ thống trồng cây trong dung dịch từ hệ thống trồng
trong dung dịch nước sâu của Gericke (1930) cho đến hệ thống trồng trong dung dịch nước sâu tuần hoàn của Kyowa và Kubota (1977 - 1983); sau đó là kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT = Nutrient Film Technique)... và từ dung dịch dinh dưỡng đầu tiên của Knop cho đến nay đã có hàng loạt các dung dịch để trồng cây như dung dịch FOA, dung dịch Imail...
Hiện nay, công nghệ trồng cây trong dung dịch đã được phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Từ đơn giản cho đến tinh vi, phức tạp. Ở các nước phát triển công nghệ này được nghiên cứu, thiết kế điều khiển bằng công nghệ cao có thể sử dụng trồng nhỏ lẻ nhưng cũng có thể sản xuất công nghiệp tạo ra các sản phẩm có độ đồng đều, năng suất cao và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm đối với người sử dụng.
1.3.3. Phân loại các hệ thống thủy canh
Căn cứ vào đặc điểm sử dụng dung dịch dinh dưỡng có thể chia thành hai hệ thống thủy canh [42], như 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.
1.3.4. Ưu điểm, nhược điểm và triển vọng của kỹ thuật thủy canh trong sản xuất rau
1.3.4.1. Ưu điểm của ứng dụng kỹ thuật thủy canh vào sản xuất rau
- Trồng rau ứng dựng kỹ thuật thủy canh cũng như đối với các loại cây trồng khác là có thể chủ động điều chỉnh dinh dưỡng cho cây, các loại dinh dưỡng được cung cấp theo nhu cầu của từng loại rau; đồng thời có thể loại bỏ được các chất có hại cho cây và không có các chất tồn dư của vụ trước.
- Tiết kiệm nước do cây sử dụng trực tiếp nước trong dụng cụ đựng dung dịch, nước không bị thất thoát do ngấm vào đất và bốc hơi.
- Giảm chi phí nhân công do giảm được một số khâu như: không phải làm đất, không phải làm cỏ, không phải vun xới và không phải tưới nước.
- Dễ thanh trùng vì chỉ cần rửa bằng formaldehyt loãng và nước lã sạch. - Không phải sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, không có vi sinh vật gây hại… và điều chỉnh được dinh dưỡng nên tạo ra sản phẩm rau an toàn đối với người sử dụng.
- Trồng được rau trái vụ do điều khiển được các yếu tố môi trường tác động như: điều chỉnh được dinh dưỡng, nhiệt độ, ánh sáng…
- Nâng cao được năng suất và chất lượng rau do cung cấp đầy đủ các yêu cầu dinh dưỡng đối với rau, không bị sâu, bệnh hại và cỏ dại… Theo Lê Đình Lương (1995), năng suất của cây trồng trong dung dịch có thể cao hơn so với trồng đất từ 25 – 500 % do có thể trồng được liên tục [19].
1.3.4.2. Nhược điểm của ứng dụng kỹ thuật thủy canh vào sản xuất rau
Giá thành cao do đầu tư ban đầu lớn. Điều này rất khó mở rộng diện tích trồng rau đối với nước ta, do điều kiện kinh tế của người trồng rau nước ta
còn nhiều khó khăn; đầu tư ban đầu cao dẫn đến giá thành sản phẩm cao, tiêu thụ sản phẩm sẽ khó khăn. Trong khi đó, nước ta lại là nước nông nghiệp được ưu đãi của điều kiện tự nhiên vào chính vụ, nên việc sản xuất rau theo phương pháp truyền thống rất dễ và giá thành rẻ; điều này dẫn đến việc cạnh tranh của rau thuỷ canh đối với rau trồng theo phương pháp truyền thống rất khó. Bên cạnh đó, lại chưa có phương pháp nào để phân biệt rau trồng theo phương pháp truyền thống và rau trồng theo phương pháp thuỷ canh.
Thời gian thu hồi vốn lâu do đầu tư ban đầu cao, giá thành sản phẩm thấp nên ảnh hưởng lớn đến khả năng thu hồi vốn khi đầu tư kỹ thuật thuỷ canh để trồng rau.
Yêu cầu trình độ kỹ thuật cao: Khi sử dụng kỹ thuật thủy canh yêu cầu người thực hiện 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 thậm chí có thể dẫn đến chết cây [42], [92]. Mỗi loại rau có yêu cầu về mặt dinh dưỡng khác nhau, chính vì vậy mà việc nghiên cứu từng loại dinh dưỡng phù hợp với từng loại rau gặp nhiều khó khăn, việc pha chế dung dịnh dinh dưỡng đối với người trồng rau lại càng khó khăn, nên người trồng rau phải mua dung dịch dinh dưỡng của người sản xuất với giá thành cao, ảnh hưởng đến chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm.
Sự lan truyền bệnh: Canh tác thuỷ canh tuy đã giảm được rất nhiều về mặt số lượng các nguồn bệnh mà ở địa canh thường gặp phải, nhưng vấn đề bệnh cây trong kỹ thuật thuỷ canh vẫn xảy ra và thỉnh thoảng tổn thất do bệnh gây ra còn lớn hơn nhiều so với địa canh vì trong không khí luôn tồn tại mầm bệnh khi có điều kiện thuận lợi nó sẽ sinh sôi nảy nở. Khi mầm bệnh đã xuất hiện thì trong thời gian rất ngắn chúng đã có mặt ở toàn bộ hệ thống, đặc biệt càng nhanh với các hệ thống kín hoặc dùng lại dung dịch dinh dưỡng [88].
Trong hệ thống thuỷ canh thì ẩm độ luôn gần như bão hoà, còn nhiệt độ trong hệ thống thuỷ canh thường ổn định hơn nhiệt độ ngoài trời vài độ (ấm hơn về mùa đông và mát hơn về mùa hè); do đó, môi trường thuỷ canh là nơi rất thuận lợi cho sự sinh sôi phát triển nhanh của bệnh cây. Cây trồng trong hệ thống thuỷ canh thường ít tiếp súc với ánh sáng trực xạ nên non yếu, mềm hơn, hàm lượng cellulose ít, hàm lượng nước cao, các mô thịt lá xốp hơn nên dễ dàng xuất hiện những vết thương do ngoại cảnh mang lại, đây là cơ hội để nhiễm bệnh và khi đã nhiễm thì mức độ thiệt hại lớn hơn cây trồng ngoài đồng ruộng rất nhiều. Ngoài ra, canh tác thuỷ canh còn có thể bị nhiễm những bệnh mới mà chưa thấy xuất hiện ở ngoài đồng ruộng; ví dụ Phytopthora cryptogea phá hại cây rau diếp trong hệ thống thuỷ canh mà chưa thấy trên đồng ruộng, Nguyễn Khắc Thái Sơn (1996) [27].
Đòi hỏi nguồn nước đảm bảo tiêu chuẩn nhất định: Theo Midmore [92], [93] thì độ mặn trong nước cần được xem xét kĩ khi dùng cho thủy canh, tốt nhất là nhỏ hơn 2.500 ppm.
1.3.4.3. Triển vọng của ứng dụng kỹ thuật thủy canh vào sản xuất rau
Đối với Việt Nam, việc ứng dụng kỹ thuật thủy canh trong trồng rau có ý nghĩa thực tiễn rất lớn vì:
Việt Nam có 3/4 diện tích là đồi núi, diện tích cho khai thác nông nghiệp, nhất là diện tích đất trồng rau đã ít, nhưng ngày càng bị thu hẹp do hoạt động sản xuất khác (phát triển công nghiệp), quá trình đô thị hóa, ô nhiễm môi trường do sản xuất nông nghiệp hóa học và các hoạt động sinh hoạt của con người.
Người dân Việt Nam có truyền thống sản xuất nông nghiệp lâu đời, nên có kinh nghiệm trong việc trồng và sản xuất các loại rau; cần cù, chịu khó, ham học hỏi, giầu tính sáng tạo, nên khả năng nắm bắt và ứng dụng khoa học kỹ thuật nhanh và sáng tạo.
Ngày 29/1/2010, Chính phủ Việt Nam đã ban hành Đề án phát triển nông nghiệp công nghệ cao đến năm 2020, trong đó đã xác định rõ lộ trình phát triển các khu nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, các doanh nghiệp sản xuất nông nghiệp công nghệ cao. Trong đó, có việc ứng dụng kỹ thuật thủy canh trong sản xuất rau xanh [11].
Kinh tế ngày càng phát triển, đời sống của nhân dân ngày càng được nâng cao, nên nhu cầu sản phẩm rau an toàn nhằm đảm bảo chất lượng cuộc sống của nhân dân ngày càng lớn.
Sản xuất nông nghiệp trong thời gian dài đã sử dụng khối lượng lớn phân hoá học, thuốc trừ sâu đã làm ô nhiễm nặng nề môi trường đất, nước và không khí; các loài côn trùng có lợi giảm sâu, bệnh lan tràn mạnh, từ đó lại nhiễm độc trở lại đối với rau gây tác hại cho môi trường sống và sức khoẻ của con người. Do đó, việc sản xuất rau an toàn an toàn sẽ thúc đẩy quá trình áp dụng kỹ thuật thủy canh về sản xuất an toàn, tuân thủ tiêu chuẩn nghiêm ngặt về bảo vệ và cải thiện môi trường sinh thái, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.
Ứng dụng kỹ thuật thủy canh vào sản xuất rau góp phần nâng cao chất lượng, nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm rau xanh nước ta trên thị trường. Ứng dụng kỹ thuật thủy canh vào sản xuất rau sẽ góp phần chuyển dịch cơ cấu sản xuất nông nghiệp, tạo việc làm tăng thu nhập cho nông dân, tăng thu ngoại tệ cho đất nước.
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KĨ THUẬT
THỦY CANH
1.4.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật thủy canh trên thế giới
1.4.1.1. Kết quả nghiên cứu về dung dịch dinh dưỡng để trồng cây
bằng kỹ thuật thủy canh trên thế giới
cứu cùng với sự ra đời của kỹ thuật thuỷ canh. Sau khi các nhà khoa học xác định được sự sinh trưởng của cây trồng sẽ không bình thường nếu thiếu 1 trong 16 nguyên tố hoá học sau: C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, Fe, Cu, Mn, Zn, Mo, B, Cl; hàng loạt các dung dịch dinh dưỡng để nuôi trồng cây bằng kỹ thuật thuỷ canh được các nhà khoa học đưa ra. Dung dịch dinh dưỡng đầu tiên được sử dụng để nuôi cây là của nhà sinh lý thực vật Knop (từ giữa thế kỷ 19). Dung dịch Knop có đặc điểm là thành phần rất đơn giản, chỉ gồm 6 loại muối vô cơ, trong đó chứa các nguyên tố đa và trung lượng, không có các nguyên tố vi lượng. Do vậy, khả năng sinh trưởng của cây trồng trong dung dịch này không được tốt. Sau dung dịch Knop là các dung dịch dinh dưỡng phổ biến để nuôi trồng thực vật bậc cao. Từ những dung dịch dinh dưỡng đơn giản nhất như: Hoagland - Arnon chỉ gồm 4 hợp chất muối vô cơ cho đến những dung dịch phức tạp gồm hàng chục loại muối vô cơ khác nhau như dung dịch của Arnon, của Olsen, của Sinsadze... [12]; một số dung dịch gần đây thường được sử dụng như dung dịch của FAO, của Đài Loan...
Sự quan trọng của dung dịch dinh dưỡng đối với cây trồng đã được Liebig và Karl Sprengel, Wiegman và Polsof chỉ ra vào năm 1942; sau đó được Sarchs khẳng định lại trong khi nghiên cứu kỹ thuật thuỷ canh. Ông cũng cho biết lông hút có vai trò quan trọng đối với việc hấp thụ chất dinh dưỡng [76]. 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 có yêu cầu chế độ nước và dinh dưỡng khác nhau [93]. Một nghiên cứu khác của Midmore đề cập đến vấn đề nhiệt độ, ông cho rằng nhiệt độ thích hợp sẽ giúp các enzim hoạt động tốt, nếu nhiệt độ cao > 400
C sẽ làm biến tính phần lớn enzym [92].
Các nhà khoa học còn nghiên cứu các dung dịch dinh dưỡng riêng cho một số loài cây trồng như: dung dịch để trồng lúa của Axan, dung dịch để
trồng củ cải đường của Belouxov, dung dịch để trồng cà chua của Kitxon, dung dịch để trồng chè của Khaan và Xcurea, dung dịch để trồng táo của Mori... [5], dung dịch của Winsor (1973) để trồng cà chua [25].
Larsen đã pha chế dung dịch bằng cách cải tiến từ dung dịch của Stainer, có thành phần dinh dưỡng thấp hơn nhiều nhưng rất phù hợp cho cà chua trồng trong nhà kính; nó là cơ sở của nhiều loại dung dịch sau này [94]. Sudradfat và Herenati (1992) đã nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nước sản xuất từ lên men yếm khí là rác như một dung dịch dinh dưỡng để trồng cây bằng kỹ thuật thủy canh và cho thấy dưa chuột Nhật Bản trồng bằng nước này pha loãng 2 lần có chiều cao cây thấp hơn, chiều dài quả và trọng lượng quả tương đương với dung dịch dinh dưỡng thủy canh [109].
Carbonell và cộng sự (1994) nhận xét: có Asen trong dung dịch dinh dưỡng làm tăng sự hấp thụ Fe và giảm sự hấp thụ Bo, Cu, Mn, Zn [57]. Trong