Chương 1 TỎNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Phân loại hệ thống thủy canh 1.1 Hệ thống thủy canh không hồi lưu Hệ thống thủy canh không hồi lưu (hệ thống thủy canh tĩnh) là hệ thông có dung dịch dinh dưỡng đặt trong hộp xốp hoặc các vật chứa cách nhiệt khác, dung dịch nằm nguyên trong hộp chứa từ lúc trồng cây đến khi thu hoạch (Võ Thị Bạch Mai, 2003).2 Hệ thống thủy canh hồi lưu Hệ thống thủy canh hồi lưu là hệ thống có dung dịch dinh dưỡng bơm tuần hoàn từ một bình chứa có lắp đặt thiết bị điều chỉnh tự động các thông số của dung dich dé đưa tới các bộ rễ cây, sau đó quay lại bình chứa dé điều chỉnh các thông số. Hệ thống nảy có hiệu quả kinh tế cao hơn, không đòi hỏi chất dinh dưỡng có cơ chế tự điều chỉnh độ axit, thích hợp với quy mô sản xuất lớn ở những nơi có nguồn điện (Võ Thị Bạch Mai, 2003).3 Một số hệ thống thủy canh Hệ thống dang bắc (Wick system) Hệ thống dạng bắc là dạng đơn giản nhất và có cấu tạo tương tự như sợi bắc trong đèn dầu. Đặt một đầu của sợi bắc sao cho chạm vào phần rễ cây. Đầu kia của bắc chìm trong dung dịch đinh dưỡng.
Soi bac này sẽ làm nhiệm vụ hút nước và dung dịch đinh dưỡng lên cung cấp cho rễ cây. Như vậy cây sẽ có đủ nước và chất đinh dưỡng để phát triển (Shrestha và Dunn, 2010). Hệ thống nỗi (Float hydroponics) Hệ thống nổi là hệ thống thường được lựa chọn để trồng rau diếp, loại cây phát triển mạnh khi gặp nước. Phần bệ giữ các cây thường làm bằng chất dẻo xốp như styrofoam và đặt nổi ngay trên dung dịch dinh dưỡng, rễ cây ngập chìm trong nước có chứa dung dịch dinh dưỡng.
Vì môi trường thiếu oxy nên cần có một máy bơm để bơm khí qua khối sui bọt dé cung cấp oxy cho rễ (Savvas và ctv, 2013). Hệ thống ngập - rút tạm thời (Ebb và flow system) Không giống như hệ thống thủy canh khác là phần rễ cây luôn chìm trong nước chỉ thích hợp cho một số ít cây trồng, hệ thống ngập và rút định kỳ có một máy bơm điều khiển dé có thé bom dung dịch dinh dưỡng vào khay trồng và rút ra theo chu kỳ đã được định sẵn. Như vậy, rễ cây sẽ có những lúc không ngập trong nước (Shrestha và Dumn, 2010). Hệ thống màng dinh dưỡng NET (Nutrient Film Technique) Trong hệ thống màng dinh dưỡng, dung dịch dinh dưỡng được bơm liên tục vào khay trồng và chảy qua rễ của cây, sau đó chúng chảy về bồn chứa thủy canh dé tái sử dụng.
Cây được tiếp xúc với màng mỏng dung dịch, đảm bảo rằng phần trên của rễ sẽ vẫn khô và được tiếp cận với oxy trong không khí (Savvas và ctv, 2013). Hệ thống khí canh (Aeroponics) Là hệ thống thủy canh có kỹ thuật phức tạp nhất. Ở hệ thống này, rễ cây phơi trong không khí và được tưới phun sương bang dung dịch dinh dưỡng. Việc phun sương thường được thực hiện sẽ bơm dung dịch dinh dưỡng lên, nhỏ trực tiếp vài phút một lần.
Như vậy, cây vừa có đủ dinh dưỡng và luôn có không khí dé sinh trưởng (Savvas và ctv, 2013).2 Dung dịch dinh dưỡng trong thủy canh 1.1 Dinh dưỡng Nguyễn Xuân Nguyên (2004) chia các nguyên tố cần thiết cho cây thành 2 nhóm: nhóm các nguyên tố đa lượng (gồm N, P, K, Ca, Mg và S) và nhóm các nguyên tố vi lượng (gồm Bo, Fe, Mn, Cu, Mo, Cl và Zn). Các nguyên t6 N, P, K, Ca, Mg va S la những nguyên tô được cây sử dung nhiều, hiện diện vài phan nghìn đến vai phan trăm trong tổng trọng lượng chất khô nên được xếp vào nhóm các nguyên té đa lượng. Những nguyên tố còn lại cây trồng chi cần lượng rat ít, tuy nhiên nếu thiếu chúng thi cây không thể sinh trưởng và phát triển bình thường nên được xếp vào nhóm các nguyên tố vi lượng. Nhu cầu chất khoáng cho cây trồng có thể khác nhau và trong cây trồng thì tỷ lệ dinh dưỡng này cũng thay đổi theo các bộ phận của cây.
Nếu cung cấp quá ít các nguyên tố dinh dưỡng thì cây trồng thiếu dinh dưỡng và cây sinh trưởng và phát triển kém, nếu cung cấp nhiều sẽ gây ra ngộ độc cây và chết cây. Cung cấp chính xác, cân bằng các chất dinh dưỡng giúp cây sinh trưởng, phát triển nhanh. Các chất dinh dưỡng thường thiếu phổ biến trong môi trường thủy canh là đạm, lân, kali, sắt và mangan. Tình trạng thiếu khoáng có thể khắc phục được bằng định kỳ cung cấp dinh dưỡng cho cây.
Sự thiếu hụt hoặc dư thừa bất kì một nguyên tố nào đều thê hiện ra với những triệu chứng và đặc thù riêng, có thể cho ta biết là cây đang thiếu hụt loại nguyên tố nào (Võ Thị Bạch Mai, 2003).2 pH Độ pH được hiểu theo nghĩa đơn giản là một số đo chỉ số axit hoặc bazơ của môi trường nhận các giá trị trong khoảng từ 1 — 14. Trong môi trường dinh dưỡng, pH rất quan trọng cho sự sinh trưởng và phát triển của cây. Độ pH có ảnh hưởng lớn đến mức độ hoạt động của các nguyên tố khác nhau. Dưới 5,5 thì khả năng hoạt động của P, K, Ca, Mg và Mo giảm đi rất nhanh, trên 6,5 thì Fe va Mn trở nên bat hoạt.
Do đó, việc điều khiển pH của dung dịch dinh dưỡng rất quan trọng. Nghiên cứu của Jones (2005) và Sonneveld và Voogt (2009) cho biết mức pH tối ưu cho dung dịch thủy canh là từ 5,8 đến 6,5 và pH của dung dịch dinh dưỡng dao động nhiều nhất là 0,5. Nếu pH xuống dưới 5,5 thi KOH, NaOH hoặc một vài chất có tính kiềm phù hợp khác có thé được thêm vào dung dịch dé pH tăng lên. Nếu pH quá cao, H3PO4 hay HNO3 có thé được sử dụng.
Trong đó, H:PO¿ thường được sử dụng nhiều hơn, vì nó bổ sung PO¿Ÿ vào môi trường dinh dưỡng. Tuy nhiên, trong trường hợp pH cao là do lượng Ca(H2COs)2 quá cao trong dung dịch thì nên sử dụng HNO; vì nếu thêm H3PO, trong trường hợp này, PO,* sẽ kết hợp với Ca?" tạo muối kết tủa làm giảm hàm lượng Ca?! mà cây có thé hap thụ. Vỏ trứng gà được thêm vào dung dịch nước vo gạo có tác dụng làm tăng pH của dung dịch. Thành phần chính tạo nên cấu trúc cứng của vỏ trứng là canxi cacbonat (CaCO3) chiếm 95%, đo đó vỏ trứng được coi là nguồn vôi thay thé trong sản xuất nông nghiệp (Arabhosseini và Faridi, 2018).
Sự sinh trưởng của cây là một trong những nhân tố làm cho môi trường trở nên 2 có tính axit hơn, vì trong quá trình sinh trưởng rễ giải phóng ra các axit hữu cơ và ion H+. Ngoài ra, pH có thé thay đổi bởi nhiều yếu tố như nguồn nước tưới, loại giá thé hoặc thời gian sử dụng của các loại giá thé. Vì vậy, pH của môi trường thủy canh cần được kiểm tra thường xuyên 2 — 3 lần/tuần, nên thực hiện việc kiểm tra này vào các thời điểm có nhiệt độ như nhau bởi vì pH của môi trường có thé bi thay đổi theo ánh sáng va nhiệt độ.3 Độ dẫn điện (EC) va tổng chất rắn hòa tan (TDS) Độ dẫn điện của một dung dịch là khả năng dẫn điện của dung dịch này được đo bằng những điện cực có diện tích bề mặt là lem2 ở khoảng cách lem, đơn vi tính là mS/cm. Chỉ số EC cũng như TDS chỉ diễn tả tổng nồng độ ion hòa tan trong dung dịch, chứ không thé hiện được nồng độ của từng thành phần riêng biệt.
Việc cung cấp các nguyên tố vi lượng với ty lệ rất nhỏ so với các nguyên tô khác sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến nồng độ EC (Sonneveld và Voogt, 2009). Chỉ số EC lý tưởng cụ thể cho từng loại cây trồng phụ thuộc vào điều kiện môi trường (Sonneveld và Voogt, 2009). Hau hết các dung dịch đinh đưỡng có giá tri EC nhỏ hơn 4 mS/cm, nếu lớn hơn sẽ gây hại cho cây trồng. Tuy nhiên, chỉ số EC lý tưởng cho các hệ thống thủy canh là từ 1,5 đến 2,5 mS/cm (Asao, 2012).
Trong suốt quá trình tăng trưởng, cây hấp thụ chất khoáng mà chúng cần, do vậy việc duy trì EC ở mức độ ôn định là rất quan trọng. Khi nồng độ các chất khoáng hoa tan trong dung dịch giảm thì giá trị EC sẽ xuống thấp. Vì vậy, trong nghiên cứu và sản xuất thủy canh, người ta thường dựa vào chỉ số EC hoặc TDS dé điều chỉnh bố sung chất khoáng vào môi trường dinh dưỡng.1 Khoảng giá trị EC và pH thích hợp cho một số loại cây trồng thủy canh Loại cây EC (mS/cm) pH Can tay 1,8-2,4 6,5 Hung qué 1,0 - 1,6 55-50 Ngo ri 18=22 6,0 - 6,5 Ca chua 2,0 - 4,0 6,0 - 6,5 Xà lách 15-1ấ 6,0 - 7,0 Cải bó xôi 1,8 - 2.3 6,0 - 7,0 Nguồn: Sharma và ctv (2018) 1.4 Nồng độ oxy hòa tan (DO) Duy trì đủ lượng oxy hòa tan trong dung dịch dinh dưỡng ở hệ thống thủy canh là rất quan trọng đối với sức khỏe cây trồng. DO là đơn vị đo hàm lượng oxy có sẵn trong dung dịch dinh dưỡng.
Rễ cần oxy để thực hiện hô hấp và nếu mức oxy không đủ cho cây, hô hấp ky khí sẽ dẫn đến sản sinh ra ethanol với nồng độ độc hại cho cây (Roberto, 2003).5 Nhiệt độ Nhiệt độ của dung dịch dinh dưỡng ảnh hưởng đến sự hấp thu nước và chất đinh dưỡng của cây trồng. Nhiệt độ thấp làm tăng sự hấp thu NO; và tao ra rễ trắng mỏng, nhưng làm giảm sự hấp thu nước. Ở cây rau bina, ba nhiệt độ nước tưới (24, 26 va 28°C) được đánh giá trong 8 tuần. Chiều dai lá, số lượng lá va tông trọng lượng sinh khối tươi và khô trên mỗi cây cao hơn ở những cây được trồng ở nhiệt độ cao với sự tăng trưởng tối ưu được ghi nhận ở mức nhiệt 28°C (Nxawe và ctv, 2009).
Graves (1983) quan sat thay rang ở nhiệt độ dưới 22°C, lượng oxy hòa tan trong dung dịch dinh dưỡng đủ dé đáp ứng nhu cầu ở cây cà chua nhưng giảm một số quá trình sinh lý, bao gồm cả hô hấp, điều này ảnh hưởng đến sự phát triển của cây. Ngược lại, nhiệt độ trên 22°C, lượng oxy hòa tan sẽ không đủ vì nhiệt độ cao hơn làm tăng sự khuếch tán của khí này.6 Một số dung dịch dinh dưỡng được sử dụng trồng rau ăn lá trong thủy canh Từ giữa thế ki 19, dung dịch dinh dưỡng đầu tiên được đề xuất bởi nhà sinh lý thực vật Knop. Dung dịch có thành phần rất đơn giản gồm 6 loại muối vô cơ trong đó chứa các nguyên tổ đa lượng, không có nguyên tố vi lượng.