Thủy canh là gì ? Khái quát lịch sử và các hệ thống thủy canh hiện nay

Thủy canh, tên Tiếng anh là hydroponics, một loại hình trồng trọt mới và là tập hợp con của kỹ thuật nuôi trồng thủy canh ( hydroculture ); nói cách khác, đây là một phương pháp trồng cây, thường là cây trồng theo vụ không cần đất bằng cách sử dụng các dung dịch dinh dưỡng khoáng với dung môi ( solvent ) là nước. Hiểu đơn giản thì là “trồng cây trong nước” hoặc “trồng cây không cần đất”. Bí quyết của kỹ thuật này là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên tố khoáng cần thiết, bảo đảm đủ ánh sáng, nguồn cung CO2 cho quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp giúp cây trồng có thể phát triển khỏe mạnh theo ý muốn của người trồng. 

Đa số các loài thực vật trên cạn ( terrestrial plants ) đều có thể được trồng thủy canh chỉ khi rễ của chúng được tiếp xúc với dung dịch lỏng chứa dinh dưỡng; ngoài ra, rễ cây có thể được “nâng đỡ” vật lý bởi môi trường trơ như đá trân châu ( perlite ), sỏi hay các chất nền khác. Nói là môi trường trơ nhưng sự thật thì rễ cây vẫn có thể gây ra sự thay đổi pH của vùng rễ ( rhizosphere ) và dịch rỉ ra từ rễ có thể ảnh hưởng đến cấu trúc sinh học của vùng không gian này. 

Lần cập nhật nội dung gần nhất: 22/2/2021.

Lưu ý: Thông tin được dịch từ văn bản Tiếng anh sang ngôn ngữ Tiếng việt theo văn phong của người viết nên có một số đoạn hay câu từ vẫn chưa được sát nghĩa. Rất mong bạn đọc góp ý và sửa lỗi.

Các nguồn dinh dưỡng được sử dụng trong hệ thống thủy canh có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm ( hoặc không giới hạn ) phân cá, phân vịt, phân hóa học mua ngoài hay dung dịch dinh dưỡng nhân tạo.

Một số loại cây rất hay được trồng theo phương pháp thủy canh, nhất là trên giá thể trơ phổ biến nhất là cà chua, ớt, dưa chuột, dâu tây, rau diếp, cần sa, và các cây mô hình ( model plants ) điển hình như Arabidopsis thaliana (L.) Heynh..

Thủy canh mang lại nhiều lợi thế, một trong số đó là việc giảm đến mức tối thiểu lượng nước sử dụng cho nông nghiệp. Ví dụ, để trồng 1 kg ( 2,2 lb ) cà chua bằng phương pháp thâm canh truyền thống cần 400 lít nước ( 88 imp gal; 110 US gal ); tuy nhiên khi sử dụng phương pháp thủy canh thì chỉ cần 70 lít ( 15 imp gal; 18 US gal ); và cũng chỉ cần có 20 lít ( 4,4 imp gal; 5,3 US gal ) sử dụng phương pháp khí canh ( aeroponics ). Vì cần ít nước hơn để phục vụ cho việc trồng trọt, nên trong tương lai một số nhà cung cấp thực phẩm ở những môi trường khắc nghiệt, ít nước có thể tiếp cận được với phương pháp đầy tiềm năng này.

Lịch sử của phương pháp thủy canh

Lịch sử đã ghi nhận rằng cây được trồng trong hỗn hợp không có đất chỉ gồm cát và sỏi đã xuất hiện từ rất lâu, vườn treo Babylon, vườn nổi Chinampa của nền văn minh Aztec ở Mexico là những minh chứng điển hình của vườn thủy canh. 

Công trình xuất bản sớm nhất về việc trồng cây trên cạn không cần đất là cuốn sách năm 1627, Sylva Sylvarum hay ‘A Natural History’ ( ‘Lịch sử tự nhiên’ ) của Francis Bacon, được in một năm sau khi ông qua đời. Về sau, phương pháp nuôi cấy trong nước ( water culture ) trở thành một kỹ thuật được đem ra nghiên cứu phổ biến. Năm 1699, John Woodward đã công bố các thí nghiệm nuôi cấy trong nước của mình với cây bạc hà ( spearmint ). Ông phát hiện ra rằng những cây nào được trồng trong nguồn nước kém tinh khiết sẽ phát triển tốt hơn các cây trồng trong nước cất. Đến năm 1842, một danh sách gồm chín nguyên tố được cho là cần thiết cho sự phát triển của cây trồng được biên soạn, cùng khám phá của các nhà thực vật học người Đức Julius von Sachs và Wilhelm Knop, trong những năm từ 1859 – 1875 đã dẫn đến sự phát triển thịnh vượng của kỹ thuật trồng trọt không cần đất; điển hình là sự ra đời của thuật ngữ mới, nuôi cấy trong dung dịch ( solution culture ), tức sự sinh trưởng của thực vật trên cạn không cần đất trong dung dịch dinh dưỡng khoáng. Khái niệm này nhanh chóng trở thành một kỹ thuật nghiên cứu và giảng dạy tiêu chuẩn cũng như được sử dụng rộng rãi; cho đến nay, đây vẫn được coi là một loại hình thủy canh “đầu nòng” khi có môi trường trơ.

Năm 1929, William Frederick Gericke thuộc Đại học California tại Berkeley đã đề xướng công khai với công chúng rằng nuôi trồng bằng dung dịch nên được sử dụng cho việc sản xuất cây trồng nông nghiệp, bằng việc cho ra một tin giật gân thời ấy khi trồng những cây cà chua leo cao 25 ​​feet ( 7,6 mét ) trong sân sau nhà mình trong dung dịch dinh dưỡng khoáng thay vì đất truyền thống. Trước khi khái niệm thủy canh ra đời, ông đã gọi đó nuôi trồng thủy sản ( aquiculture ) nhưng sau đó phát hiện ra rằng khái niệm này vốn đã được áp dụng cho việc nhân nuôi các sinh vật dưới nước. Sau này ông mới đưa ra thuật ngữ thay thế là thủy canh ( hydroponics ), nuôi cấy trong nước ( water culture ), vào năm 1937, do W. A. ​​Setchell, một nhà nghiên cứu thực vật học với trình độ học vấn rộng đề xuất cho ông. Hydroponics có nguồn gốc từ thuyết tân học ( neologism ) υδρωπονικά ( bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ύδωρ = water và πονέω = cultivate ), nguyên mẫu từ γεωπονικά ( bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp γαία = soil và πονέω = cultivate ).

Nhưng trái với kỳ vọng, các báo cáo dựa trên công trình của Gericke và tuyên bố của ông rằng thủy canh sẽ cách mạng hóa nông nghiệp cây trồng đã dấy lên làn sóng tranh cãi và một lượng lớn các yêu cầu cung cấp thêm thông tin; chúng gây áp lực nhiều đên nỗi khiến ông đành phải ngậm ngùi chấp nhận rằng đây vẫn chưa phải là thời điểm chín muồi cho việc ứng dụng kỹ thuật nói chung và thương mại hóa thủy canh để sản xuất cây trồng nói riêng. Đơn cử như việc Gericke bị từ chối thẳng thừng việc sử dụng nhà kính của trường đại học nơi ông làm việc cho các thí nghiệm của mình trước sự hoài nghi của chính quyền. Và khi trường đại học ra sức ép buộc ông khai triển các công thức dinh dưỡng ( nutrient recipes ) sơ bộ được phát triển tại nhà riêng, ông đã yêu cầu không gian và thời gian trong nhà kính để cải thiện chúng bằng các phương tiện nghiên cứu thích hợp; cuối cùng thì ông cũng được cung cấp không gian nhà kính như yêu cầu, nhưng ngôi trường cũng đồng thời giao luôn cho Hoagland và Arnon đánh giá lại các tuyên bố của Gericke. Và nhục nhã thay, kết quả cho thấy các công thức của ông không mang lại lợi ích gì khi đem ra so sánh với năng suất cây trồng trên đất, một quan điểm từ phía của Hoagland. Năm 1940, Gericke xuất bản cuốn sách, Complete Guide to Soilless Gardening ( Toàn thư về việc làm vườn không cần đất ), sau khi rời khỏi vị trí làm việc tại trường đại học vào năm 1937 trong một bối cảnh không thuận lợi về mặt chính trị. Đây cũng là lần đầu tiên ông công bố chính thức công thức cơ bản của mình liên quan đến các muối dinh dưỡng đa lượng và vi lượng cho cây trồng thủy canh.

Theo kết quả nghiên cứu dựa trên các tuyên bố của Gericke theo yêu cầu của trường đại học California, Dennis Robert Hoagland và Daniel Israel Arnon đã viết một thông cáo nông nghiệp cổ điển năm 1938, The Water Culture Method for Growing Plants Without Soil, trong đó khẳng định chắc nịch rằng năng suất cây trồng thủy canh không tốt hơn năng suất cây trồng thu được từ đất chất lượng tốt. Khi ấy, năng suất cây trồng sẽ bị hạn chế bởi các yếu tố khác ngoài chất dinh dưỡng khoáng, nhất là ánh sáng. Tuy nhiên, nghiên cứu này không đánh giá một cách đúng mức rằng thủy canh đã và đang có những lợi ích chính khác dựa trên thực tế là rễ cây trồng có khả năng tiếp cận nguồn Ôxy liên tục và cây cũng có thể tiếp xúc với lượng nước nhiều hay ít khi chúng cần. Mà xét về khoản tưới nước thực tiễn ngoài đồng ruộng, một trong những lỗi thường gặp nhất khi chăm bón cây của người nông dân thiếu kinh nghiệm là việc tưới quá nhiều và để cây trồng thiếu nước; thật may là thủy canh đã ngăn chặn điều này xảy ra vì với một lượng lớn nước có thể làm chết hệ thống rễ trong đất nhưng hoàn toàn có thể kiểm soát trong hệ thống thủy canh, cộng thêm việc bất kỳ nguồn nước nào không được sử dụng sẽ được rút đi, tuần hoàn hoặc được sục khí một cách định kỳ để loại bỏ điều kiện yếm khí ở vùng rễ. Trong đất, người trồng cần phải có kinh nghiệm để biết chính xác lượng nước cần cung cấp cho cây; tưới quá dư nước thì cây không thể tiếp cận với Ôxy vì không khí trong các không gian trống của đất ( soil pores ) sẽ bị thay thế; tưới quá ít thì cây sẽ mất khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng ở vùng rễ. Quan điểm của Hoagland cộng thêm sự hỗ trợ tích cực của trường đại học California đã thúc đẩy hai nhà nghiên cứu này phát triển một số công thức mới cho các dung dịch dinh dưỡng khoáng, về sau được gọi là dung dịch Hoagland. Giống như các kỹ thuật thủy canh mới do Gericke đề xuất, các phiên bản dung dịch Hoagland sửa đổi và cải tiến vẫn tiếp tục được sử dụng cho đến ngày nay.

Một trong những thành công sớm nhất của phương pháp thủy canh là việc áp dụng trên đảo Wake ( một rạn san hô vòng ở Thái Bình Dương, nơi vốn được sử dụng làm trạm dừng tiếp nhiên liệu cho Hãng hàng không Pan American ) vào những năm 1930 để cung cấp rau sạch cho hành khách. Vì đảo Wake là một nơi hoàn toàn không có đất, cộng thêm việc vận chuyển rau tươi bằng máy bay ra đảo rất tốn kém, nên tiềm năng của thủy canh tại nơi đây thật khó mà bị đạp đổ trong tương lai gần.

Từ năm 1943 đến năm 1946, Daniel I. Arnon khi đang phục vụ với tư cách là thiếu tá trong Quân đội Hoa Kỳ đã từng sử dụng kiến ​​thức chuyên môn trước đây của mình về dinh dưỡng thực vật để đảm bảo nguồn lương thực nuôi sống những binh lính đóng quân trên đảo Ponape cằn cỗi ở phía tây Thái Bình Dương bằng cách trồng cây trong sỏi và nước giàu dinh dưỡng vì ở đó không hề lấy một miếng đất canh tác.

Vào những năm 1960, Allen Cooper, một công dân Anh đã phát triển kỹ thuật màng dinh dưỡng ( nutrient film technique hay NFT ). Trong một hệ thống lý tưởng, độ sâu của dòng tuần hoàn nước rất nông, chỉ hơn một màng nước; do đó mới có tên gọi là màng dinh dưỡng; đảm bảo lớp rễ dày của cây trồng được tiếp xúc với đủ lượng không khí. 

Không gian The Land tại Trung tâm EPCOT của Walt Disney World mở cửa vào năm 1982 khi nổi bật với nhiều loại kỹ thuật thủy canh.

Trong những thập kỷ gần đây, NASA đã thực hiện nhiều nghiên cứu về thủy canh cho Hệ thống Hỗ trợ Đời sống Sinh thái có Kiểm soát ( Controlled Ecological Life Support System – CELSS ). Đơn cử như việc nghiên cứu thủy canh trong không gian mô phỏng môi trường sao Hỏa sử dụng ánh sáng LED trong một phổ màu khác ( color spectrum ) với nhiệt lượng thấp hơn nhiều. Ray Wheeler, một nhà sinh lý học thực vật tại Phòng thí nghiệm Khoa học Đời sống Không gian của Trung tâm Vũ trụ Kennedy ( Kennedy Space Center’s Space Life Science Lab ), tin rằng phương pháp thủy canh sẽ tạo ra những tiến bộ trong việc du hành không gian, gần như một hệ thống hỗ trợ sự sống tái sinh.

Năm 2007, Eurofresh Farms ở Willcox, Arizona, đã bán hơn 200 triệu pound cà chua được trồng bằng phương pháp thủy canh. Được biết Eurofresh có 318 mẫu Anh ( 1,3 km2 ) dưới kính, đại diện cho khoảng một phần ba diện tích nhà kính thủy canh thương mại ở Hoa Kỳ. Cà chua thương hiệu Eurofresh nổi tiếng với việc không có thuốc trừ sâu, được trồng trong đá khoáng ( rockwool ). Về sau Eurofresh tuyên bố phá sản và các nhà kính được mua lại bởi NatureSweet Ltd. vào năm 2013.

Tính đến năm 2017, Canada đã có hàng trăm mẫu đất nhà kính thủy canh thương mại với quy mô lớn, chuyên dùng cho nhân giống cà chua, ớt và dưa chuột. Do những tiến bộ về công nghệ trong ngành và nhiều yếu tố kinh tế, thị trường thủy canh toàn cầu được dự báo sẽ tăng từ 226,45 triệu đô la Mỹ năm 2016 lên 724,87 triệu đô la Mỹ vào năm 2023.

Các kỹ thuật thủy canh phổ biến tại nước ta

Hiện nay hầu hết các máng thủy canh hay bể chứa dung dụng dinh dưỡng khoáng đều được làm bằng nhựa, hoặc bằng các vật liệu khác như bê tông, thủy tinh, kim loại, chất rắn thực vật ( vegetable solids ) và gỗ. Các bể chứa cần bắt buộc phải loại bỏ ánh sáng chiếu vào để ngăn tảo và nấm phát triển trong dung dịch cạnh tranh trực tiếp dinh dưỡng với cây trồng. Hiện ở nước ta theo quan sát là có áp dụng các mô hình thủy canh phổ biến và phù hợp với điều kiện từng nơi dưới đây:

a. Hệ thống dạng bấc ( wick system )

Xem chi tiết tại đây

Hệ thống dạng bấc cho đến nay được quy vào dạng hệ thống thủy canh đơn giản nhất và cũng được coi là dễ hiểu nhất đối với người mới bắt đầu tìm tòi về thủy canh. Sự đơn giản nằm ở chỗ, hệ thống hoạt động mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào, do đó người thiết kế không nhất thiết phải lắp đặt máy bơm hay dây dợ lằng nhằng. Đúng như tên gọi, bí quyết của hệ thống này nằm ở chỗ sợi bấc ( wicks ). Đặt một đầu của sợi bấc sao được đặt sao cho chạm vào phần rễ cây, đầu kia của bấc chìm trong dung dịch dinh dưỡng. Sợi bấc sẽ làm nhiệm vụ duy nhất là hút nước và dung dịch dinh dưỡng lên để cung cấp cho rễ cây ( tương tự như sợi bấc trong đèn dầu, hút dầu lên để duy trì sự cháy ). Như vậy cây sẽ có đủ nước và chất dinh dưỡng để liên tục sinh trưởng phát triển.

b. Hệ thống thủy canh dạng tĩnh ( water culture )

Hệ thống sử dụng một bể chứa dung dịch thủy canh, phần bệ giữ cây trồng thường làm bằng chất dẻo nhẹ như xốp và đặt nổi ngay trên dung dịch dinh dưỡng, rễ cây ngập chìm trong nước có chứa dung dịch dinh dưỡng. Vì môi trường rễ luôn thiếu vắng Ôxy nên cần phải trang bị thêm một máy sục khí vào khối sủi bọt để cung cấp cho rễ. Hệ thống thủy canh dạng này thường dùng phổ biến trong dạy học. Hệ thống ít tốn kém, có thể tận dụng bể chứa nước hay những bình chứa không rỉ khác.

c. Hệ thống ngập & rút định kỳ ( ebb và flow system )

Không giống như hệ thống thủy canh dạng tĩnh ở trên chỉ tương thích với một số ít cây trồng khi phần rễ cây luôn bị đặt chìm trong nước. Hệ thống ngập và rút định kỳ có một máy bơm với bộ hẹn giờ có thể bơm dung dịch dinh dưỡng vào khay trồng và rút ra theo chu kỳ đã được định sẵn. Làm như vậy thì rễ cây sẽ có những lúc không ngập trong nước để “thở” một cách tự nhiên, tránh hiện tượng bị úng. 

d. Hệ thống nhỏ giọt ( drip systems )

Hệ thống nhỏ giọt là một loại hình thủy canh được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới;  áp dụng trồng một số loại cây thảo mộc và các loại hoa, cây ăn trái như cà chua, dưa leo, dưa lưới, ớt, …. Máy bơm sẽ bơm dung dịch dinh dưỡng lên, nhỏ trực tiếp vào gốc của cây trồng bởi những đường ống nhỏ giọt theo định kỳ. Dung dịch dinh dưỡng dư thừa sẽ được thu hồi lại trong bể chứa để tái sử dụng.có thể nói hệ thống này sử dụng dung dịch dinh dưỡng khá hiệu quả, nước dư ra được tái sử dụng, không bị hao phí. 

e. Kỹ thuật màng dinh dưỡng ( NFT )

Xem chi tiết tại đây

Nhìn vào cách thiết kế hệ thống thủy canh theo kỹ thuật màng dinh dưỡng ( nutrient film technique ), dung dịch dinh dưỡng được bơm liên tục vào các ống thủy canh chuyên dụng và chảy qua phần rễ của cây, sau đó chảy về bể chứa theo sức hút của trọng lực để tái sử dụng. Thường thì khi áp dụng kỹ thuật màng dinh dưỡng người dùng không cần dùng thêm chất trồng, giúp tiết kiệm chi phí thay chất trồng sau mỗi vụ. Hệ thống này cũng thường sử dụng trong quy mô lớn với mục đích thương mại.

f. Khí canh ( aeroponics )

Khí canh là hệ thống thủy canh dạng kỹ thuật cao. Giống như kỹ thuật màng dinh dưỡng, chất trồng chủ yếu ở đây là không khí. Phần rễ cây trong hệ thống sẽ “lơ lửng” trong không khí và dung dịch dinh dưỡng sẽ được “điều động” đến rễ bằng cách phun sương; trong đó việc phun sương thường được thực hiện mỗi vài phút; giúp cây vừa có đủ thức ăn, vừa có đủ nước và luôn có không khí để thở. Hiện nay khí canh được ứng dụng chủ yếu trong mô hình trồng khoai tây.

Giá thể thủy canh

a. Yêu cầu

– Giá thể dùng trong thủy canh cần đảm bảo khả năng giữ ẩm và độ thoáng khí tốt.

– Giá thể trồng rau thủy canh cần đạt mức pH trung tính và độ pH phải ổn định để không làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rau.

– Các giá thể cần được làm ẩm để cây có thể dễ dàng sử dụng.

– Các giá thể phải dễ dàng phân hủy trong môi trường hoặc có thể tái sử dụng lại.

– Nguyên liệu làm giá thể cần đảm bảo dễ kiếm, nhẹ và rẻ.

b. Một số loại giá thể phổ biến

Xơ dừa: Nguồn nguyên liệu rẻ, dễ kiếm, khi tiếp xúc với nước sẽ nở ra gần gấp ba đến bốn lần kích thước ban đầu. Đặc tính này kết hợp với khả năng giữ ẩm và khả năng chống chịu sâu bệnh tốt khiến xơ dừa trở thành giá thể sinh trưởng hiệu quả trong môi trường thủy canh.

Đá trân châu ( perlite ): Một loại thủy tinh vô định hình có hàm lượng nước tương đối cao, giữ ẩm tốt, tạo môi trường thoáng khí cho bộ rễ phát triển. 

Cốt liệu đất sét nhẹ trương nở ( lightweight expanded clay aggregate ): Còn được gọi là viên đất nung ở nhiệt độ cao, trơ, trung tính với pH và không đem lại bất kỳ giá trị dinh dưỡng nào nhưng được cái là giữ ẩm, hút nước tốt. Đa số các nhà sản xuất đều coi cốt liệu đất sét trương nở là một chất trồng bền vững về mặt sinh thái và có thể tái sử dụng vì khả năng làm sạch và khử trùng hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

• Thủy canh – Wikipedia tiếng Việt

• Hydroponics – Wikipedia tiếng Anh