Thủy canh là gì? Nguyên lý hoạt động, ưu điểm, nhược điểm và cây trồng

Thủy canh là gì?

Thủy canh là cách trồng cây không dùng đất, nuôi rễ bằng dung dịch dinh dưỡng nền nước chứa mọi khoáng chất cây trồng cần. Rễ nằm trực tiếp trong dung dịch đó hoặc phát triển trong giá thể trơ như len đá, xơ dừa hay đá perlite, giúp giữ cây đứng vững nhưng bản thân giá thể cung cấp rất ít hoặc không cung cấp dinh dưỡng.

Vì vậy, định nghĩa đơn giản nhất của thủy canh là "trồng cây không đất bằng dung dịch dinh dưỡng được quản lý". Thuật ngữ này bắt nguồn từ các từ gốc Hy Lạp có nghĩa là nước và công việc, được William Gericke tại Đại học California phổ biến vào những năm 1930; ông trồng các cây cà chua lớn trong nước và đặt ra thuật ngữ này. Ngày nay, nông nghiệp thủy canh có quy mô từ một xô 5 gal trên ban công đến nhà kính rộng nhiều hecta và nhà máy trồng cây khép kín hoàn toàn.

Cụm từ "trồng thủy canh" trên nhãn có nghĩa là gì?

Khi nông sản được mô tả là trồng thủy canh, điều đó có nghĩa cây được trồng suốt vòng đời trong hệ thống không đất, nhận nước và khoáng chất hòa tan qua rễ thay vì từ đất ngoài đồng. Phần lớn thực phẩm thủy canh bán tại siêu thị là xà lách, rau gia vị, cà chua, dưa chuột, ớt và dâu tây, thường được trồng trong nhà kính hoặc trang trại trong nhà.

Thủy canh hoạt động như thế nào?

Bản thân đất không phải là thứ cây bắt buộc phải có. Cây cần nước, oxy ở vùng rễ, dinh dưỡng khoáng, ánh sáng, carbon dioxide và nhiệt độ phù hợp. Đất chỉ là một cách cung cấp nước và dinh dưỡng. Thủy canh thay thế đất bằng hệ thống cung cấp trực tiếp các yếu tố đầu vào này với lượng được định rõ.

Nếu vẽ sơ đồ cho gần như bất kỳ hệ thống thủy canh nào, sơ đồ đó sẽ có những bộ phận giống nhau sau đây:

• Bể chứa (bồn hoặc thùng) đựng dung dịch dinh dưỡng.
• Phương thức cấp dung dịch: máy bơm, đầu nhỏ giọt, màng dung dịch mỏng trong máng, khay ngập, vòi phun sương hoặc đơn giản là rễ treo trong bồn.
• Vùng rễ: rọ trồng, máng, xô, tấm giá thể hoặc bè giữ cây.
• Nguồn cấp oxy: máy sục khí và đá sủi khí, dòng nước đổ xuống hoặc rút nước định kỳ để không khí tiếp cận rễ.
• Thiết bị theo dõi: tối thiểu có máy đo EC và máy đo pH; ở trang trại lớn hơn, có bộ điều khiển thủy canh tự động châm dinh dưỡng và axit.
• Ánh sáng: ánh nắng trong nhà kính hoặc đèn trồng cây LED trong nhà.

Trong hệ thống tuần hoàn (kín), dung dịch chảy về bể chứa và được tái sử dụng. Trong hệ thống tưới xả (hở), mỗi lần cấp, dung dịch đi qua giá thể một lần và phần thoát ra được thải bỏ hoặc tái sử dụng ở nơi khác.

Chu trình thủy canh theo từng bước

1. Ươm hạt. Hạt nảy mầm trong mút ươm, khối len đá hoặc khay nhỏ được giữ ẩm bằng nước không pha dinh dưỡng hoặc dung dịch loãng.
2. Chuyển cây. Khi rễ bắt đầu mọc ra ngoài bầu ươm, cây con được chuyển vào rọ trồng, máng, tấm giá thể hoặc xô.
3. Cấp dinh dưỡng. Hệ thống cấp dung dịch dinh dưỡng liên tục hoặc theo bộ hẹn giờ.
4. Theo dõi. Người trồng kiểm tra EC (nồng độ dinh dưỡng), pH, nhiệt độ nước và mức dung dịch, thường là hằng ngày với hệ thống nhỏ và liên tục bằng cảm biến với hệ thống thương mại.
5. Bổ sung và thay dung dịch. Bổ sung nước khi cây hút nước; thay toàn bộ dung dịch hoặc cân bằng lại sau mỗi vài tuần, hoặc theo kết quả kiểm tra.
6. Thu hoạch và vệ sinh. Sau thu hoạch, máng, khay và bồn được vệ sinh trước vụ tiếp theo.

Có những loại hệ thống thủy canh chính nào?

Có sáu phương pháp thủy canh phổ biến cùng một số phương pháp kết hợp. Hướng dẫn đầy đủ của chúng tôi về các loại hệ thống thủy canh so sánh chi tiết từng loại; bảng dưới đây cung cấp thông tin tổng quan nhanh.

Các biến thể thủy canh nước sâu như RDWC (thủy canh nước sâu tuần hoàn) nối nhiều xô với một bể chứa để dùng chung dung dịch và dễ quản lý hơn. Mô hình thủy canh bằng xô năm gal về cơ bản là một đơn vị DWC hoặc tưới nhỏ giọt độc lập, nên đây là cách phổ biến để học trồng thủy canh trước khi mở rộng quy mô.

Cây cần gì trong hệ thống thủy canh?

Dung dịch dinh dưỡng

Dinh dưỡng thủy canh phải cung cấp đầy đủ các nguyên tố thiết yếu: nitơ, phốt pho, kali, canxi, magiê và lưu huỳnh, cùng sắt, mangan, kẽm, đồng, bo và molypden với lượng nhỏ. Người trồng thương mại thường pha hai dung dịch mẹ đậm đặc (A và B) để canxi không kết tủa với sulfat và phosphat. Nồng độ được đo bằng độ dẫn điện (EC). Rau ăn lá thường được trồng ở khoảng 0.8–1.8 mS/cm và cây lấy quả như cà chua ở khoảng 2.0–3.5 mS/cm, tùy theo giai đoạn, khí hậu và giống.

pH

Hầu hết cây trồng thủy canh phát triển tốt nhất ở pH khoảng 5.5–6.5, nằm trong khoảng rộng hơn 5.0–7.0 mà Penn State Extension đưa ra cho rau. Ngoài khoảng này, sắt, phốt pho và canxi trở nên khó hấp thu hơn ngay cả khi vẫn hiện diện trong dung dịch. Hướng dẫn về dinh dưỡng thủy canh, EC và pH của chúng tôi trình bày công thức và các mức mục tiêu theo từng loại cây.

Oxy và nhiệt độ

Rễ cũng hô hấp. Nước ấm giữ được ít oxy hòa tan hơn, nên hầu hết người trồng cố gắng duy trì nhiệt độ dung dịch khoảng 18–22 °C. Một số người thêm hydro peroxit (H2O2) với liều nhỏ vào bể chứa thủy canh để làm chất oxy hóa, nhưng chất này cũng gây hại cho vi sinh vật có lợi và phải được định lượng cẩn thận; sục khí tốt, bồn sạch và nhiệt độ phù hợp quan trọng hơn.

Giá thể

Giá thể cố định cây và giúp duy trì độ ẩm ổn định. Các lựa chọn phổ biến gồm len đá, xơ dừa, đá perlite, viên đất sét nung nở và mút ươm. Mỗi loại giữ nước và không khí theo một tỷ lệ khác nhau; xem hướng dẫn về giá thể thủy canh của chúng tôi.

Ánh sáng

Trong nhà kính, ánh nắng cung cấp phần lớn ánh sáng, còn mùa đông có chiếu sáng bổ sung. Trong nhà, đèn LED dùng cho thủy canh hiện là lựa chọn tiêu chuẩn vì hiệu suất cao và tỏa ít nhiệt hơn các loại đèn cũ. Hệ thống chiếu sáng thủy canh thường là hạng mục tiêu thụ điện lớn nhất trong trang trại trong nhà, vì vậy cần tính toán kỹ hiệu suất bộ đèn và quang chu kỳ.

Thủy canh có những ưu nhược điểm gì?

Ưu điểm và lợi ích của thủy canh

• Sử dụng nước hiệu quả. Hệ thống tuần hoàn mất nước chủ yếu qua cây, thay vì do thấm sâu hoặc bốc hơi từ đất trống, nên có thể chỉ dùng một phần nhỏ lượng nước so với trồng ngoài đồng cho cùng loại cây.
• Sinh trưởng nhanh và đồng đều hơn. Rễ nhận được dinh dưỡng và oxy mà không phải vươn tìm trong đất, nên rau ăn lá thường đến kỳ thu hoạch sớm hơn và đồng đều hơn.
• Năng suất cao hơn trên mỗi mét vuông. Mật độ trồng cao và cách bố trí thẳng đứng như giá trồng, tháp và tường thủy canh giúp tận dụng diện tích sàn tốt hơn.
• Không phụ thuộc địa điểm. Có thể trồng cây trên đất không thể canh tác, mái nhà, trong nhà kho và container vận chuyển, gần người mua.
• Ít sinh vật gây hại từ đất và cỏ dại hơn, nhờ đó thường giảm lượng thuốc bảo vệ thực vật và thuốc diệt cỏ sử dụng.
• Kiểm soát chính xác việc cấp dinh dưỡng, giúp duy trì chất lượng đồng đều hơn giữa các lứa trồng.

Nhược điểm và hạn chế của thủy canh

• Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn cho kết cấu, máng, máy bơm, bộ điều khiển và, với mô hình trong nhà, hệ thống chiếu sáng và kiểm soát khí hậu.
• Phụ thuộc vào điện. Trong NFT và khí canh, máy bơm hỏng có thể gây stress cho rễ chỉ trong vài giờ; nguồn điện dự phòng và hệ thống cảnh báo là những khoản đầu tư đáng giá.
• Yêu cầu kỹ năng và theo dõi. EC, pH và nhiệt độ nước cần được theo dõi thường xuyên, và sai sót ảnh hưởng đến tất cả cây cùng lúc.
• Nguy cơ bệnh lây qua nước. Trong hệ thống tuần hoàn, mầm bệnh gây hại cho rễ có thể lây lan nhanh qua dung dịch dùng chung.
• Hạn chế về cây trồng. Các cây trồng đại điền như ngũ cốc và phần lớn cây lấy củ hiếm khi đem lại hiệu quả kinh tế khi trồng thủy canh.

Vậy nông sản thủy canh có tốt cho sức khỏe không? Nhìn chung, rau thủy canh có giá trị dinh dưỡng tương đương rau trồng trên đất; chất lượng phụ thuộc nhiều hơn vào giống, ánh sáng, cách quản lý dinh dưỡng và độ tươi khi bán so với việc có dùng đất hay không. Nông sản thủy canh có được chứng nhận hữu cơ hay không phụ thuộc vào quy định của từng quốc gia, và các quy định này khác nhau.

Thủy canh khác trồng trên đất như thế nào?

Có thể trồng những cây gì bằng thủy canh?

Hầu như bất kỳ cây nào cũng có thể trồng thủy canh, nhưng xét về kinh tế, các cây sinh trưởng nhanh và có giá trị cao có lợi thế hơn:

• Rau ăn lá: xà lách, cải bó xôi, cải xoăn, cải thìa, cải rocket. Các loại này phù hợp với NFT, DWC và giá trồng thẳng đứng.
• Rau gia vị: húng quế, bạc hà, rau mùi, mùi tây, hẹ tây.
• Cây lấy quả: cà chua, dưa chuột, ớt và cà tím, thường được trồng trên tấm giá thể tưới nhỏ giọt hoặc trong xô Hà Lan (Dutch bucket) đặt trong nhà kính.
• Dâu tây: trồng trong máng nâng cao, trên khung chữ A và hệ thống thẳng đứng.
• Rau mầm vi lượng (microgreens) và rau mầm.
• Thức ăn xanh thủy canh: "cỏ thủy canh" từ lúa mạch hoặc lúa mì được cho nảy mầm trong khay để làm thức ăn cho vật nuôi.
• Hoa và cây giống, thường được ươm ban đầu trên bàn ngập rút.

Trồng cây ăn quả thân gỗ bằng thủy canh không khả thi ở quy mô thương mại. Cái gọi là cây thủy canh hay "cây không gian" thường là một tháp đứng bố trí nhiều cây nhỏ quanh một cột trung tâm.

Bắt đầu trồng thủy canh như thế nào?

Dù bạn đang lắp một bộ thủy canh để bàn hay lập kế hoạch kinh doanh thủy canh, các bước thực hiện đều giống nhau:

1. Chọn cây trồng và thị trường trước. Cây trồng quyết định hệ thống, khoảng cách trồng và điều kiện khí hậu.
2. Chọn hệ thống phù hợp với cây trồng. NFT hoặc DWC cho rau ăn lá, tưới nhỏ giọt trên giá thể cho cây dây leo, ngập rút cho khâu nhân giống.
3. Kiểm tra nguồn nước. EC, độ kiềm và hàm lượng natri trong nước nguồn quyết định công thức dinh dưỡng và việc có cần lọc hoặc thẩm thấu ngược hay không.
4. Lập kế hoạch về ánh sáng và khí hậu. Trồng trong nhà kính hay trong nhà, thông gió, sưởi ấm, làm mát và hút ẩm.
5. Tính toán công suất bơm và kích thước đường ống cho toàn bộ bố trí hệ thống, có công suất dự phòng và nguồn điện dự phòng.
6. Bắt đầu với quy mô nhỏ, ghi chép mọi thông số, sau đó mở rộng khi EC, pH và năng suất đã ổn định.

Các đơn vị trồng thương mại thường mua máng, giá trồng và thiết bị định lượng từ các công ty chuyên về thủy canh thay vì tự lắp từ linh kiện mua ở cửa hàng vật tư, vì vật liệu đạt yêu cầu tiếp xúc thực phẩm, độ dốc phù hợp và khả năng chống tia UV rất quan trọng khi sản xuất quy mô lớn. Dòng sản phẩm máng thủy canh, bàn trồng và giá thể của chúng tôi đáp ứng các hệ thống NFT, DWC, xô Hà Lan (Dutch bucket) và ngập rút; hệ thống thủy canh PLC tùy chỉnh bổ sung chức năng châm dinh dưỡng và điều khiển tự động. Đối với sản xuất hoàn toàn trong nhà, nhà máy trồng rau ăn lá thủy canh thẳng đứng tích hợp giá trồng, chiếu sáng và kiểm soát khí hậu.

Mars Vertical Farm có 20+ năm kinh nghiệm sản xuất thiết bị thủy canh tại Thượng Hải và xuất khẩu cho các đơn vị trồng trọt trên toàn thế giới. Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một dự án, hãy gửi cho chúng tôi thông tin về cây trồng, diện tích địa điểm và sản lượng mục tiêu; các kỹ sư của chúng tôi sẽ đề xuất bố trí hệ thống và báo giá.

Nguồn tham khảo

• Thư viện Nông nghiệp Quốc gia USDA: Thủy canh
• Cơ quan Khuyến nông Đại học Penn State: Hệ thống thủy canh và nguyên lý dinh dưỡng thực vật
• Cơ quan Khuyến nông Đại học Illinois: Tài liệu về thủy canh