Coâng ngheä sinh hoïc thöïc vaät Chöông 7. Kyõ thuaät thuûy canh
64
CHƯƠNG VII. CÔNG NGHỆ THỦY CANH, VI THỦY CANH
VÀ THỦY CANH IN VITRO – SẢN XUẤT SẠCH
Phương pháp trồng rau thủy canh từ lâu đã được nhiều quốc gia có nền
nông nghiệp công nghệ cao ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, ở nước ta thì đây vẫn
là mô hình mới, còn xa lạ với nông dân. Ưu điểm của phương pháp trồng rau
thủy canh là tạo được môi trường dinh dưỡng tốt nhất cho cây trồng, kiểm soát
được chất dinh dưỡng, nhờ vậy có thể giảm chi phí đầu tư phân bón. Quan trọng
hơn, trồng rau thủy canh loại trừ được thuốc trừ sâu vì có thể kiểm soát được sâu
bệnh.
1. Hệ thống thủy canh
1.1. Khái niệm thủy canh
Thủy canh thường được định nghĩa như là “trồng cây trong nước”. Tuy
nhiên do có rất nhiều môi trường tổng hợp được sử dụng để trồng cây nên có thể
mở rộng định nghĩa thủy canh là “trồng cây không sử dụng đất”.
Từ nhiều thế kỷ trước ở các vùng Amazon, Babylon, Ai Cập, Trung Quốc
và Ấn Độ, người xưa đã biết sử dụng phân bón hòa tan để trồng dưa chuột, dưa
hấu và nhiều loại rau củ khác. Sau đó các nhà sinh lý thực vật bắt đầu trồng cây
trên môi trường dung dịch dinh dưỡng đặc biệt để thí nghiệm và gọi đó là “nuôi
cấy dinh dưỡng”.
Năm 1929, William F. Goricke đã thành công trong việc trồng cây cà chua
đạt kích thước 7.5 m trong dịch dinh dưỡng. Ông gọi hệ thống mới này là “thủy
canh” (“Hydroponic” - theo tiếng Hy Lạp, hydros là “nước” và ponos là “làm
việc”). Từ đó, thủy canh được ứng dụng và phát triển rộng rãi, và mở rộng thành
các phương pháp trồng cây trên môi trường rắn trơ sử dụng dung dịch dinh
dưỡng.
Việc trồng cây không có đất thật sự đem lại rất nhiều thuận lợi. Khi sử
dụng một môi trường sạch khuẩn và không phải lo lắng cho việc trừ cỏ dại, trừ
sâu và côn trùng có hại trong đất. Hơn nữa khi dùng kỹ thuật thủy canh, cây
trồng sẽ có được môi trường sống đầy đủ các thành phần dinh dưỡng thiết yếu.
Do vậy cây sẽ sinh trưởng và phát triển nhanh hơn, việc canh tác cũng đơn giản
hơn đối với rau và cây hoa. Một thuận lợi lớn của kỹ thuật thủy canh là cho phép
thiết lập hệ thống nuôi trồng tự động. Khi sử dụng hệ thống tự động, người làm
vườn có thể linh hoạt được thời gian chăm sóc cây trồng.
Đặc biệt, do đặc điểm của kỹ thuật thủy canh là không cần đất nên đây
chính là giải pháp cho ngành nông nghiệp ở những đất nước vốn có ít đất canh
tác – các thành phố lớn hoặc vùng đất cằn cỗi. Các nước tiên tiến đã nhanh chóng
ứng dụng kỹ thuật này để sản xuất rau sạch, cây kiểng.
Coâng ngheä sinh hoïc thöïc vaät Chöông 7. Kyõ thuaät thuûy canh
65
Trong tương lai, khi dân số ngày một gia tăng, đời sống được nâng cao,
đất đai trở nên khan hiếm, thì kỹ thuật thủy canh sẽ dần thay thế phương pháp
trồng trọt truyền thống. Vì không chỉ đem lại những món lợi nhuận khổng lồ cho
ngành nông nghiệp, kỹ thuật này còn giúp giữ gìn môi trường được trong sạch,
đây chính là mục tiêu được coi trọng hàng đầu để góp phần nâng cao chất lượng
cuộc sống của con người.
Ưu điểm của kỹ thuật thủy canh:
Không cần đất, chỉ cần không gian để đặt hộp dụng cụ trồng, do vậy có
thể triển khai ở những vùng đất cằn cỗi như hải đảo, vùng núi xa xôi, cũng như
tại gia đình trên sân thượng, balcon.
Không phải làm đất, không có cỏ dại, không cần tưới.
Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ.
Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh và các hóa chất độc hại khác.
Năng suất cao vì có thể trồng liên tục.
Sản phẩm hoàn toàn sạch, đồng nhất. Giàu dinh dưỡng và tươi ngon.
Không tích lũy chất độc, không gây ô nhiễm môi trường.
Không đòi hỏi lao động nặng nhọc, người già, trẻ em đều có thể tham gia
hiệu quả.
Nhược điểm của kỹ thuật thủy canh
Vốn đầu tư ban đầu cao do chi phí về trang thiết bị. Tuy nhiên, chi phí này
không phải là cao so với những chi phí phải trả để diệt sâu bệnh và côn trùng,
thuê nhân công. Hơn nữa, các máy móc thiết bị được tái sử dụng nhiều lần nên
chỉ tốn chi phí cho đầu tư ban đầu.
Đòi hỏi trình độ chuyên môn kỹ thuật cao để sản xuất có hiệu quả. Điều
này gây trở ngại cho việc đưa phương pháp thủy canh mở rộng đại trà.
Trong quá trình hấp thu các chất dinh dưỡng, thực vật làm thay đổi độ pH
trong dung dịch thủy canh. Do đó, cần phải điều chỉnh pH mỗi ngày. Giá trị pH
tối thích từ khoảng 5.8 – 6.5. Giá trị pH càng chênh lệch khỏi khoảng này thì
mức độ ảnh hưởng không tốt lên hệ thống thủy canh càng lớn.
Ngoài ra, những thay đổi đột ngột các yếu tố môi trường cũng như việc
cung cấp chất dinh dưỡng hay tưới nước không đúng có thể gây ra những triệu
chứng rối loạn sinh lý ở cây (như hiện tượng thối quả cà chua, nứt quả cà chua).
1.2. Các yêu cầu cơ bản của hệ thống thủy canh
Đất có khả năng duy trì nhiệt độ và độ thoáng khí cần thiết cho sự sinh
trưởng rễ. Khi đất bị thoái hoá, sự sinh trưởng và năng suất cây cũng giảm do độ
thoáng khí và nhiệt độ không phù hợp. Việc trồng cây không thể thực hiện trong
điều kiện thoát nước kém do những vấn đề trên. Đất tự điều chỉnh để phù hợp với
Coâng ngheä sinh hoïc thöïc vaät Chöông 7. Kyõ thuaät thuûy canh
66
sự tăng trưởng của cây, đó gọi là hoạt động đệm của đất. Thực vật cũng hấp thu
các chất dinh dưỡng được tiết ra thông qua sự khoáng hóa tự nhiên.
Trong một dung dịch, hoặc môi trường trơ, việc duy trì độ acid hay độ
kiềm (dựa vào pH), độ dẫn điện (EC) trong một khoảng giá trị phù hợp với hệ
thống rễ của thực vật được gọi là hoạt động đệm. Việc này cần phải được thực
hiện nhân tạo trong các hệ thống thủy canh. Ở bất kỳ hệ thống thủy canh nào, các
yêu cầu cơ bản sau cần được duy trì ở mức độ thích hợp:
Hoạt động đệm của nước hay của giá thể trơ được sử dụng.
Dung dịch dinh dưỡng hoặc hỗn hợp phân bón phải chứa tất cả các thành
phần vi lượng và đa lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây.
Hoạt động đệm của dung dịch dinh dưỡng trong khoảng phù hợp để hệ
thống rễ hoặc giá thể trơ không bị ảnh hưởng.
Nhiệt độ và độ thoáng khí của giá thể trơ hoặc dung dịch dinh dưỡng phải
phù hợp với hệ thống rễ.
1.3. Dung dịch dinh dưỡng thủy canh
Trong hệ thống thủy canh, tất cả các thành phần dinh dưỡng cần thiết
được cung cấp cho cây ở dạng dung dịch, chứa muối khoáng và phân bón tan
trong nước.
Phương pháp thủy canh cho phép người canh tác kiểm soát các thành phần
cần thiết bằng cách điều chỉnh hay thay đổi dung dịch dinh dưỡng cho phù hợp
với từng giai đoạn tăng trưởng của cây và cung cấp chúng với một lượng cân
bằng. Các chất dinh dưỡng hiện diện ở dạng ion trong dung dịch thủy canh, cây
trồng không cần phải tìm kiếm hay cạnh tranh với các sinh vật khác như khi
trồng trong đất. Do đó, việc tối ưu hoá điều kiện dinh dưỡng của hệ thống thủy
canh cũng dễ hơn nhiều so với trong đất.
Dung dịch dinh dưỡng dùng cho dung dịch thủy canh phải đáp ứng được
những điều kiện sau:
Độ pH: Giá trị pH tối thích nằm trong khoảng 5.8 – 6.5. Giá trị pH càng lệch
ra khỏi khoảng này thì càng có ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thống thủy canh, pH
trên 7.5 sẽ làm giảm khả năng hấp thu sắt và có thể xảy ra hiện tượng úa vàng
thân, pH dưới 6.0 sẽ làm giảm mạnh khả năng hòa tan acid phosphoric, ion
calcium và mangan. Có thể sử dụng các chất đệm hoá học để giữ ổn định giá trị
pH.
Độ dẫn điện: Giá trị độ dẫn điện (EC) tốt nhất là trong khoảng 1.5 – 2.5 dS/m.
Giá trị EC cao hơn sẽ ngăn cản sự hấp thu chất dinh dưỡng, EC thấp sẽ ảnh
hưởng đến sức sống và năng suất cây. Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước
từ dung dịch, tổng nồng độ muối và EC đều thay đổi.
Coâng ngheä sinh hoïc thöïc vaät Chöông 7. Kyõ thuaät thuûy canh
67
Tính dung hợp của các thành phần trong dung dịch dinh dưỡng: Tránh những
loại công thức pha chế dung dịch có chứa nhiều tạp chất như cát, đất sét, hay
bùn; cũng cần phải tránh các công thức pha chế có chứa các muối không hòa tan
hoặc hòa tan kém, hay có chứa các chất tương tác với nhau tạo ra chất không tan.
1.4. Ảnh hưởng của các giá thể nuôi trồng thủy canh
Người ta đã sử dụng nhiều cơ chất khác nhau trong nuôi trồng thủy canh.
Tuy nhiên một trong số những đòi hỏi đầu tiên của việc nghiên cứu đó là rễ cây
phải dễ dàng tách ra khỏi môi trường. Than bùn, perlite và vermiculite là những
cơ chất tốt, nhưng rễ thường đâm sâu vào trong môi trường nên sẽ gặp khó khăn
trong việc nghiên cứu hình thái, kích thước của rễ.
Đối với môi trường cát, ta dễ dàng lấy rễ ra nhưng rễ phát triển trong cát
thường ngắn và ốm hơn vì cát chặt hơn. Cây phát triển trong cát thường ít tốt hơn
trong các cơ chất khác, có lẽ vì sự phát triển của rễ kém hơn. Trong nhiều năm
qua, người ta thường dùng đất nung (hay còn gọi là turface, profil, arcillite) để
nghiên cứu thủy canh vì loại nó ra khỏi rễ rất dễ. Tuy nhiên đất nung có hai bất
lợi:
Không có tính trơ về mặt hóa học. Những loại đất nung khác nhau cho ra
những lượng dinh dưỡng khoáng khác nhau và điều này làm cho kết quả nghiên
cứu không còn chính xác. Có thể dùng dung dịch dinh dưỡng để rửa bỏ những
chất không mong muốn nhưng tốn kém.
Đất nung có kích cỡ không giống nhau và khả năng hấp thu nước tùy
thuộc vào kích thước, cho nên tính đồng nhất không giống nhau.
Gần đây, một loại sản phẩm mới được đóng ép gọi là isolite. Vùng biển
Nhật Bản là nơi có nhiều loại này – nó trộn với đất sét 5% (đóng vai trò như chất
kết dính). Ngoài ra trong thành phần của nó còn có SiO2 (dioxid silic). SiO2 có
tính trơ cao về mặt vật lý học. Isolite có đường kính từ 1 – 10 mm. Các thí
nghiệm cho thấy isolite có tính trơ cao về mặt hóa học và giữ nước rất tốt. Tuy
nhiên điểm bất lợi của nó là giá thành cao.
Một số giá thể hữu cơ được sử dụng
Than bùn
Đây là chất tốt nhất trong các giá thể hữu cơ có khả năng giữ nước và các
chất dinh dưỡng cao hơn các loại giá thể hữu cơ khác. Than bùn có chứa nhiều
khoáng như: N, P, K, Ca, Mg và một số nguyên tố vi lượng, trong đó có silic.
Thông thường trong nuôi trồng thủy canh, than bùn được dùng để nuôi
trồng các loại cây cho quả như: cà chua, dưa leo, ớt tây, dâu tây.
Than bùn cần thanh trùng trước khi sử dụng.
Mùn cưa
Coâng ngheä sinh hoïc thöïc vaät Chöông 7. Kyõ thuaät thuûy canh
68
Mùn cưa, cát và hỗn hợp hai loại vật liệu đó đã được dùng có kết quả để
sản xuất dưa chuột. Một hỗn hợp có khoảng 25% cát có lợi là phân bố độ ẩm
đồng đều hơn khi dùng riêng mùn cưa.
Vỏ cây, xơ dừa
Đây là loại vật liệu tương đối rẻ tiền, có khả năng dễ phân hủy do vi sinh
vật nhiều. Phần lớn các nghiên cứu dùng vỏ cây hoặc xơ dừa cần phải cho dòng
nước chảy chậm để lôi cuốn các hợp chất tanin có trong vỏ cây và xơ dừa.
Tóm lại việc trồng cây trong giá thể trơ và trên giá thể tự nhiên mang lại
một số thuận lợi như điều chỉnh được dinh dưỡng của cây trồng, giảm bớt yêu
cầu về lao động, dễ tưới nước, cải thiện năng suất, sản xuất ra các loại rau quả
chất lượng cao.
1.5. Một số mô hình thủy canh
1.5.1. Hệ thống thủy canh không hồi lưu
Còn gọi là hệ thống mở, dịch dinh dưỡng không tuần hoàn mà chỉ được sử
dụng một lần và khi nồng độ chất dinh dưỡng giảm, pH hay độ dẫn điện thay đổi,
dịch sẽ được thay thế.
Kỹ thuật ngâm rễ (root deeping technique): cây được trồng trong chậu
chứa các giá thể trơ có đục lỗ để rễ có thể phát triển ra bên ngoài chậu và để
trong một chậu lớn hơn chứa dung dịch dinh dưỡng. Chậu giá thể chứa cây ngập
trong dung dịch khoảng 2-3 cm, một số rễ của cây được ngâm trong dung dịch
còn một số khác lại nằm trong giá thể tiếp xúc với không khí nhiều hơn.
Kỹ thuật nổi (floating technique): cây được nuôi trong chậu cố định trên
vật liệu nhẹ nổi trên mặt dung dịch dinh dưỡng và dung dịch được thông khí
nhân tạo.
Kỹ thuật mao dẫn (cappillary action technique): với kỹ thuật này, có hai
loại chậu được sử dụng. Cây được trồng trong các chậu chứa giá thể, dung dịch
dinh dưỡng chứa từ một chậu chứa bên dưới được mao dẫn lên tới chậu chứa cây
ở trên thông qua dây dẫn (có thể bằng bông gòn, tim đèn hay dây dù).
1.5.2. Hệ thống thủy canh hồi lưu
Còn gọi là hệ thống đóng, nghĩa là dịch dinh dưỡng được bơm qua hệ
thống rễ cây và dịch dư được thu nhận, làm đầy và tái sử dụng.
Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (nutrient film technique – NFT): Với hệ
thống này, dung dịch dinh dưỡng chảy qua các kênh có độ dốc tạo ra một lớp
mỏng dinh dưỡng trong kênh và tiếp xúc trực tiếp với rễ cây để cung cấp dinh
dưỡng.
Kỹ thuật dòng sâu (deep flow technique): Với loại hệ thống này, dung
dịch dinh dưỡng chảy qua các ống nhựa PVC (polyvinylclorua) và tiếp xúc với rễ