CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 1. Khái niệm và triển vọng của aquaponic Aquaponic là thuật ngữ kết hợp giữa Aquaculture (nuôi trồng thủy sản) và Hydroponics (thủy canh). Aquaponic là nuôi cá và trồng cây trong một hệ sinh thái tuần hoàn tận dụng vai trò tự nhiên của vi khuẩn để chuyển đổi chất thải của cá tôm thành chất dinh dưỡng cho cây trồng (Sylvia Bernstein, 2013). Cá và cây trồng phát triển một cách tự nhiên nhờ vào sự tận dụng lợi ích của nhau.
Thay vì bổ sung phân bón và các hóa chất để trồng cây, Aquaponic sử dụng chất thải từ cá nhờ sự chuyển hóa của các loài vi sinh vật, vi khuẩn thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy đủ cho sự phát triển của cây. Ngược lại, thay vì phải xử lý rồi xả nước từ nuôi cá ra môi trường, Aquaponic sử dụng cây trồng để làm sạch nước và trả lại cho bể cá. Nước này có thể được tái sử dụng vô thời hạn và chỉ cần bổ sung khi bị cạn do bay hơi. Đây là phương pháp canh tác bền vững, thân thiện với môi trường, chi phí vận hành thấp vì không cần phải thay nước, lọc nước hay thêm phân bón hóa học và không cần diện tích lớn.
Đây là hệ thống tuần hoàn tận dụng lợi ích của nhau một cách hoàn hảo. Có thể tận dụng khoảng không gian nhỏ trước sân, sau nhà hay thậm chí là trong một góc nhà để lắp đặt hệ thống Aquaponic cho hộ gia đình. Trong nghiên cứu nuôi trồng thuỷ sản tuần hoàn, khái niệm aquaponic đã được đưa ra vào giữa những năm 1970 (Lewis và cộng sự, 1978, Naegel, 1977, Sneed và cộng sự, 1975). Trong nghiên cứu, các loại cây trồng đã được sử dụng để loại bỏ các chất thải từ hệ thống nuôi trồng thuỷ sản luân chuyển.
Ngày nay, sản xuất aquaponic thương mại tồn tại chủ yếu trong các môi trường được kiểm soát, chẳng hạn như nhà kính hoặc các khu vực ngoài trời 5 với khí hậu thuận lợi, sử dụng phương pháp và thiết bị thu được từ cả trồng cây thủy canh và nuôi trồng thủy sản. Một số nghiên cứu đã ghi lại được năng suất của các hoạt động aquaponic ở quy mô nghiên cứu (Rakocy, 2012, Rakocy và cộng sự, 2006; Watten và Busch, năm 1984), và năm 2013, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) bắt đầu thu thập số liệu sản xuất aquaponic như là một phần của tổng điều tra Nuôi trồng thủy sản, được xuất bản lần cuối vào năm 2013 (USDA, 2013). Kết quả từ các cơ sở nghiên cứu và các yếu tố khác, như mở rộng quan tâm đến nông nghiệp bền vững và sản xuất lương thực gần các trung tâm đô thị, đã kích thích sự quan tâm và sự tham gia của Ngành công nghiệp phát triển aquaponic. Tuy nhiên, ít nghiên cứu đã được tiến hành về sản xuất aquaponic quy mô thương mại.
Aquaponic có một số lợi thế so với các hệ thống nuôi thủy sản tuần hoàn và các hệ thống thủy canh sử dụng các giải pháp dinh dưỡng vô cơ. Các bồn trồng rau có chức năng như là một bộ lọc sinh học, và do đó một bộ lọc sinh học riêng biệt là không cần thiết như trong các hệ thống tuần hoàn khác. Aquaponic có bộ lọc sinh học duy nhất tạo ra thu nhập, thu được từ việc bán các sản phẩm thủy sinh như rau, thảo dược và hoa. Nuôi trồng thủy sản hiện đại: xuất hiện vào năm 1733, khi một nông dân người đức đã nuôi thành công cá sinh sản và nuôi lớn chúng.
Sự phát triển của thủy sản đã được nuôi tuần hoàn hoặc bằng phương pháp RAS. Đây là một kỹ thuật mà cá được nuôi trong những bồn lớn, mật độ thả cao. Lợi thế của là không lấy nước tự nhiên, vì vậy có thể được đặt ở bất cứ đâu. Nhược điểm cuả RAS là việc tiêu tốn năng lượng và các rủi ro trong khi sục oxy.
Khi máy bị trục trặc, cá sẽ chết sau vài giờ khi thiếu oxy. Nhược điểm chính của RAS là lượng chất thải của cá. Các bộ lọc thông thường chỉ lọc được một phần chất thải rắn và phần còn lại bị trả lại bồn nuôi có thể gây ngộ độc cho cá (Sylvia Bernstein, 2013). Những khái niệm về thủy canh Thủy canh (hydroponics) hiện đại: Năm 1600, một người Bỉ phát hiện rằng có thể trồng cây không cần đất và ông đã trồng được một cây liễu nặng gần 80kg mà chỉ dùng nước.
Năm 1627, cuốn sách đầu tiên nói về trồng cây không dùng đất do Fracis Bacon viết được xuất bản. Từ sau 1699 thủy canh bắt đầu phát triển. Dung dịch dinh dưỡng dùng cho thủy canh được nghiên cứu và phát triển vào những năm 1800, trong đó hoàn thiện nhất là dung dịch của các nhà thực vật học người Đức Julius von Sachs va Wilhelm Knop tạo ra và hiện nay vẫn dùng. Trong khoảng năm 1930, William Gericke, đặt ra từ Hydroponics để mô tả phương pháp trồng cây mà bộ rễ của nó đặt ngập trong dung dịch dinh dưỡng.
Hiện nay thủy canh cũng được dùng để chỉ việc trồng cây không dùng đất mà dùng giá thể hữu cơ hay vô cơ và được cung cấp dinh dưỡng bằng dung dịch. Ngày nay, kỹ thuật này rất phát triển với quy mô và công nghệ từ đơn giản đến phức tạp ở nhiều quốc gia, đặc biệt là các quốc gia có diện tích đất canh tác thấp, nguồn nước tưới không dồi dào như Israel và các nước Trung Đông hay các vùng địa lý có địa hình không thích hợp cho thổ canh như hải đảo, vùng núi xa xôi, khí hậu lạnh hay thậm chí ở ngoài không gian. Các giá thể trong thủy canh thông thường là cát, trấu hun, vỏ xơ dừa, mụn xơ dừa, than bùn, sỏi nhẹ, vermiculite…với nguồn dinh dưỡng cung cấp cho cây chủ yếu là từ dung dịch muối khoáng. Các hình thức thủy canh Để dễ hiểu có thể coi thủy canh có 2 dạng căn bản đó là dạng thủy canh hoàn toàn, trong đó toàn bộ bộ rễ cây nhúng trong dung dịch chảy tuần hoàn hoặc dung dịch tĩnh và dạng bán thủy canh, trong đó bộ rễ cây trồng phát triển trong một khối giá thể, dinh dưỡng được cấp qua các đầu nhỏ giọt.
7 Từ 2 dạng căn bản nói trên, tùy điều kiện và trình độ kỹ thuật mà người ta có rất nhiều các hệ thống khác nhau. Ví dụ, trồng thủy canh hoàn toàn có thể có hệ thống máng ống, hệ thống máng chậu hoặc có dạng là những bể chứa dung dịch lớn (như trồng rau muống, rau xà lách). Bán thủy canh có hệ thống dùng chậu, có hệ thống dùng bao chứa giá thể có hình thù như bao xi măng hoặc như cái gối dài. Ở cả 2 dạng thủy canh hoàn toàn hay bán thủy canh đều có thể có hình thức tuần hoàn và không tuần hoàn.
Tuần hoàn là hệ thống có thu hồi dung dịch sau khi chảy qua bộ rễ để xử lý và tái sử dụng. Không tuần hoàn là dạng không thu hồi do người ta điều tiết gần như cung cấp đủ dung dịch thì thôi, nên phần dư, không đáng kể. Giữa 2 dạng thì dạng tuần hoàn rất phức tạp, đòi hỏi thiết bị và kỹ thuật xử lý dinh dưỡng rất cao, rất lành nghề. Trong sản xuất thủy canh, cây trồng sinh trưởng phát triển được nhờ được cung cấp dinh dưỡng ở dạng các muối hòa tan.
Như vậy, nồng độ muối phải ở một mức độ nào đấy để cây trồng có thể hút được. Người ta dùng chỉ số EC (Electric Capacity-năng lực dẫn điện) để đo độ đậm đặc nói trên. Một chỉ số quan trọng khác nữa là độ pH. Cây trồng cũng chỉ có thể hút được dinh đưỡng mà pH nằm trong khoảng 6-7.
Người sản xuất thường xuyên phải kiểm tra các chỉ số nói trên và điều chỉnh nếu cần thiết (Ngô Quang Vinh, 2012) Hệ thống thủy canh không hồi lưu: Là hệ thống có dung dịch dinh dưỡng đặt trong hộp xốp hoặc các vật liệu chứa cách nhiệt khác, dung dịch nằm trong hộp chứa từ lúc trồng cây cho đến lúc thu hoạch. Hệ thống này thích hợp cho qui mô gia đình ở các nước kém phát triển. Hệ thống thủy canh hồi lưu: Hệ thống có dung dịch dinh dưỡng được bơm tuần hoàn từ một bình chứa có lắp đặt các thiết bị hẹn giờ để bơm nước tới các bộ rễ nuôi cây, sau đó dung dịch quay trở lại các bình chứa. Hệ thống 8 này có hiệu quả kinh tế cao hơn, thích hợp với qui mô sản xuất lớn ở những nơi có nguồn điện.
Kỹ thuật thủy canh màng mỏng dinh dưỡng NFT: Các hệ thống trồng thủy canh được phát triển cao nhất ngày nay là kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng, được Allen Cooper phát triển vào giữa những năm 1960 ở Anh. Nó là một biến thể của hệ dòng chảy sâu. Nó cũng là dạng thủy canh hấp dẫn nhất đối với cộng đồng do tính chất và dáng vẻ bên ngoài của nó. Chất dinh dưỡng chảy vào các ống trồng (growtube) nơi mà các rễ cây hút lên.
Phần dư thừa rút xuống do trọng lực trở lại bể chứa. một lớp màng mỏng dinh dưỡng cho phép các rễ con tiếp xúc ổn định với chất dinh dưỡng và các lớp khí phía trên cùng lúc. Kỹ thuật dòng sâu (deep flow technique): Là một hệ thống thủy canh. Ở độ sâu 2-3cm, dung dịch dinh dưỡng chảy dọc theo ống nhựa PVC có đường kính 10cm đến những túi lưới nhựa có chứa cây được gắn trong ống nhựa.
Túi nhựa chứa vật liệu cây trồng và phần dưới cùng của chúng xếp tiếp xúc với dịch dinh dưỡng chảy vào ống nhựa. Ống nhựa PVC được sắp xếp trên mặt phẳng hoặc theo dạng zigzag, điều đó còn phụ thuộc vào sự phát triển của cây trồng trong ống nhựa. - Các cây trồng áp dụng thủy canh Về nguyên tắc, mọi loại cây trồng đề có thể trồng thủy canh được. Tuy nhiên, trên thực tế, người ta thường dùng thủy canh để trồng rau và hoa.
Hình thức trồng trên giá thể thường dùng cho cây rau ăn quả và hoa. Hình thức trồng không giá thể thường dùng cho rau ăn lá, nhất là xà lách. Sau đây là một số ví dụ: Hà Lan, chủ yếu trồng cà chua, dưa leo, cà tím, hoa, đậu và xà lách. Anh: cà chua, dưa leo, ớt, hoa; Nhật: cà chua, hành lá, xà lách, dưa lưới (musk melon), dưa leo.; Israel: hoa, cà chua; Mỹ: cà chua, dưa leo, xà lách; Canada: cà chua, dưa leo, xà lách, Nam Mỹ: cà chua, dưa leo, xà lách, hoa; 9 Trung Quốc: cà chua, dưa leo, xà lách, dưa lưới, dâu tây, cải xanh, hoa; Hàn Quốc: cà chua, dưa leo, xà lách, Úc: xà lách, dưa leo, cà chua, rau thơm, dâu tây, hoa; Newzealand: cà chua, dưa leo, đậu, ớt, dưa Mỹ, hoa.