Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đèn led đến một số chỉ tiêu sinh lý, năng suất và phẩm chất của cây cải bó xôi trồng thủy canh

Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng khác nhau đến sinh trưởng, năng suất và ph ẩm chất của cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu66 3.2.1.. Ảnh hưởng của cường đô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG

LED ĐẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU SINH LÝ, NĂNG SUẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ PHƯƠNG DUNG

LED ĐẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU SINH LÝ, NĂNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đèn

LED đến một số chỉ tiêu sinh lý, năng suất và phẩm chất của cây cải bó xôi (Spinacia oleracea L.) tr ồng thủy canh” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số

liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Số liệu công bố có sự cộng tác nghiên cứu, đã được đồng ý của các

cộng sự Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

H à Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021 Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Phương Dung

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án tiến sĩ, Tôi đã nhận được sự hướng dẫn về chuyên môn, sự giúp đỡ rất tận tình của các đơn vị, các thầy, cô và bạn bè cùng gia đình Nhân dịp này Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng cảm ơn: GS.TS Nguyễn Quang Thạch, PGS TS Trần Thị Thanh Huyền, người Thày, người Cô đã tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận

Học viện Nông Nghiệp Việt Nam; Bộ môn KNCL Rau quả – Viện Nghiên cứu Rau quả, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, trang thiết bị, nhân lực giúp tôi thực hiện tốt nhất các nghiên cứu khoa học liên quan tới nội dung của luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Sinh học, Phòng sau đại học, Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; Ban chủ nhiệm Khoa Nông học, Ban Giám đốc Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo mọi điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin được cảm ơn sự giúp đỡ của: PGS.TS Mai Văn Chung – Trường Đại

học Vinh, TS Vũ Ngọc Thắng, ThS Nguyễn Thị Thủy – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã chia sẻ kinh nghiệm, kỹ thuật, hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu

Cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn đồng hành, chia sẻ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án này

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021

Nghiên cứu sinh

Nguy ễn Thị Phương Dung

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH xi

M Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 5

1.1 Cây c ải bó xôi và giá trị dinh dưỡng 5

1.1.1 Đặc điểm sinh học 5

1.1.1.1 Nguồn gốc 5

1.1.1.2 Phân loại 5

1.1.1.3 Hình thái, sinh lý sinh trưởng 5

1.1.2 Giá trị dinh dưỡng và giá trị trong nghiên cứu khoa học 6

1.2 Ánh sáng đèn LED đối với sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng 9

1.2.1 Các thông số ánh sáng và mức độ ảnh hưởng đến cây trồng 9

1.2.2 Tính ưu việt của việc sử dụng đèn LED (light-emitting diode) cho cây trồng 12

1.2.2.1 Đặc điểm và tính ưu việt của đèn LED so với các nguồn sáng khác khi sử dụng cho cây trồng 12

1.2.2.2 Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng đèn LED cho cây trồng 14

1.2.3 Những nghiên cứu về sử dụng đèn LED cho cây trồng trên thế giới 16

1.2.3.1 Những nghiên cứu về ánh sáng đèn LED đối với sự nảy mầm của hạt giống cây trồng 16

1.2.3.2 Những nghiên cứu về ánh sáng đèn LED đối với sinh trưởng, năng suất và chất lượng cây trồng 17

1.2.3.3 Những nghiên cứu về ánh sáng đèn LED đối với điều khiển ra hoa ở cây trồng 24

1.2.4 Một số nghiên cứu sử dụng đèn LED cho cây trồng ở Việt Nam 26

1.3 Tr ồng cây bằng kỹ thuật thủy canh 28

1.3.1 Hệ thống thủy canh 28

1.3.1.1 Hệ thống thủy canh tĩnh 29

1.3.1.2 Hệ thống thủy canh động 30

1.3.2 Ứng dụng kỹ thuật thủy canh trong trồng rau trên thế giới và Việt Nam 32

1.4 Nh ững nghiên cứu về cây cải bó xôi trồng thủy canh và ảnh hưởng của ánh s áng đến cây cải bó xôi 35

1.5 M ột số kết luận rút ra sau tổng quan 39

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

2.1 Đối tượng và vật liệu nghiên cứu 41

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 41

2.1.2 Vật liệu 41

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 42

2.2.1 Địa điểm nghiên cứu 42

2.2.2 Thời gian nghiên cứu 42

2.3 Phương pháp nghiên cứu 42

2.3.1 Bố trí thí nghiệm 42

2.3.1.1 Nội dung 1 43

2.3.1.2 Nội dung 2 44

2.3.2 Các chỉ tiêu theo dõi 45

2.3.2.1 Chỉ tiêu sinh trưởng 45

2.3.2.2 Chỉ tiêu về khả năng quang hợp 46

2.3.2.3 Chỉ tiêu về giải phẫu 47

2.3.2.4 Chỉ tiêu về cấu trúc bộ rễ 48

2.3.2.5 Chỉ tiêu về chất lượng dinh dưỡng 48

2.3.2.6 Chỉ tiêu về các hợp chống oxi hóa 48

2.3.2.7 Các chỉ số vệ sinh an toàn thực phẩm 49

2.3.3 Xử lý số liệu 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50

3.1 Xác định các thông số kỹ thuật tối ưu trồng cải bó xôi bằng phương pháp th ủy canh hồi lưu 50

3.1.1 Giống 51

3.1.2 Dung dịch dinh dưỡng 54

3.1.3 EC dung dịch 56

3.1.4 pH dung dịch 59

3.1.5 Khoảng cách trồng 61

3.1.6 Các chỉ số vệ sinh an toàn thực phẩm 63

3.1.6.1 Hàm lượng NO3- 63

3.1.6.2 Hàm lượng một số kim loại nặng (As, Hg, Cd, Pb) 65

3.2 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng khác nhau đến sinh trưởng, năng suất và ph ẩm chất của cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu66 3.2.1 Sinh trưởng, sinh lý 66

3.2.1.1 Thông số tăng trưởng 66

3.2.1.2 Sắc tố quang hợp 68

3.2.1.3 Khả năng quang hợp 70

3.2.2 Đặc điểm cấu trúc bộ rễ 74

3.2.3 Đặc điểm cấu trúc lá 76

3.2.3.1 Giải phẫu lát cắt ngang lá 76

3.2.3.2 Đặc điểm của khí khổng 79

3.2.4 Các yếu tố tạo nên năng suất và năng suất 83

3.2.5 Chất lượng và hàm lượng dinh dưỡng 86

3.2.5.1 Hàm lượng các nguyên tố khoáng 86

3.2.5.2 Hàm lượng các chất dinh dưỡng và các chất chống oxi hóa 87

3.2.6 Các thông số vệ sinh an toàn thực phẩm 96

3.3 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến sinh trưởng, năng suất và ph ẩm chất của cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh h ồi lưu 97

3.3.1 Sinh trưởng 97

3.3.2 Sắc tố quang hợp và thông số quang hợp 99

3.3.3 Đặc điểm giải phẫu lá 103

3.3.4 Đặc điểm của khí khổng 105

3.3.5 Đặc điểm cấu trúc bộ rễ 110

3.3.6 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất 111

3.3.7 Chất lượng dinh dưỡng 114

3.3.7.1 Hàm lượng nguyên tố khoáng 114

3.3.7.2 Hàm lượng chất dinh dưỡng 116

3.3.7.3 Hàm lượng chất chống oxi hóa 119

K ẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 122

DANH M ỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 123

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 124

PH Ụ LỤC

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 ALS Hỗ trợ nâng cao chất lượng cuộc sống (Advanced Life Support)

3 CEA Môi trường nông nghiệp được kiểm soát (Controlled

Environment Agriculture)

6 EC Độ dẫn điện (Electical Conductivity)

7 FL Đèn huỳnh quang (Fluorescent Lamps)

9 G Xanh lá cây (Green)

10 HL Đèn halogen (Halogen Lamps)

11 HPS Đèn natri cao áp (Pressure Sodium Lamps)

12 LED Diode phát sáng (Light Emiting Diode)

13 MGDG Monogalactosyl diacylglycerol

14 MH Đèn halogen kim loại (Metal Halide Lamps)

15 NAR Tốc độ đồng hóa chất khô (Net Assimilation Rate)

16 NST Ngày sau trồng

17 PAR Bức xạ hoạt tính quang hợp (Photosynthetically active

radiation )

18 PPFD Mật độ dòng photon hữu hiệu cho quang hợp (Photosynthetic

photon flux density)

19 RGR Tốc độ sinh trưởng tương đối (Relative Growth Rate)

20 SD Cây ngày ngắn (Short Day Plant)

21 SQDG Sulfoquinovosyl diacylglycerol

thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 52

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của giống tới yếu tố cấu thành năng suất và năng suất

của cải bó xôi trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 53 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của các loại dung dịch dinh dưỡng tới sự sinh trưởng

của cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 54 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của các loại dung dịch dinh dưỡng tới yếu tố cấu thành

năng suất và năng suất của cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên

hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 55 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của EC tới sự sinh trưởng của cây cải bó xôi giống

PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 57 Bảng 3.7 Ảnh hưởng của EC tới yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của

cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 57 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng của cây cải bó xôi giống PD512

trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 60 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của pH tới yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của

cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 60 Bảng 3.10 Ảnh hưởng của khoảng cách trồng tới sự sinh trưởng của cây cải

bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 62

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của khoảng cách trồng tới yếu tố cấu thành năng suất

và năng suất của cây cải bó xôi giống PD512 trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (42 NST) 63 Bảng 3.12 Kết quả phân tích hàm lượng NO3- tích lũy trong cây cải bó xôi

giống PD512 trồng thủy canh hồi lưu thu hoạch sau thời gian ngừng cung cấp dinh dưỡng khác nhau 64 Bảng 3.13 Kết quả phân tích hàm lượng một số kim loại nặng trong cây cải bó

xôi giống PD512 trồng thủy canh hồi lưu (42 NST) 65 Bảng 3.14 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) đến sinh trưởng của cải bó xôi

giống PD512 trồng thủy canh trong nhà (30 NST) 68 Bảng 3.15 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) đến hàm lượng sắc tố quang hợp của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh trong nhà (30 NST) 70

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) đến khả năng quang hợp của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh trong nhà (30 NST) 71

Bảng 3.17 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) đến đặc điểm cấu trúc bộ rễ của

cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh trong nhà (30 NST) 75 Bảng 3.18 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) đến cấu trúc giải phẫu của lá cải

bó xôi giống PD512 trồng thủy canh trong nhà (30 NST) 77 Bảng 3.19 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

(PPFD = 190 µmol/m2/s) đến các yếu tố tạo nên năng suất và năng

suất cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh trong nhà (30 NST) 84 Bảng 3.20 Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng

cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) đến hàm lượng các nguyên tố

khoáng có trong cải bó xôi giống PD512 trồng canh trong nhà (30 NST) 87 Bảng 3.21 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đèn LED khác nhau đến thông

số sinh trưởng của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự

kết hợp của đèn LED màu đỏ - xanh trong nhà (21 NST) 98 Bảng 3.22 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến hàm lượng sắc

tố quang hợp của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED màu đỏ-xanh (21 NST) 100 Bảng 3.23 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến khả năng quang

hợp của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp

của đèn LED màu đỏ - xanh trong nhà (21 NST) 102 Bảng 3.24 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến cấu trúc giải

phẫu của lá cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của đèn LED màu đỏ - xanh lam (21 NST) 104 Bảng 3.25 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến các tế bào biểu

bì lá của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 107 Bảng 3.26 Ảnh hưởng của các cường độ ánh sáng khác nhau đến cấu trúc bộ

rễ của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 110

Bảng 3.27 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến năng suất của cải

bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 112

Bảng 3.28 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đèn LED khác đến hàm lượng

các nguyên tố khoáng có trong cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 115

DANH M ỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hình thái của cây cải bó xôi 5

Hình 1.2 Phổ hấp thu của chlorophyll và carotenoid 10

Hình 1.3 Các phổ bước sóng ánh sáng 11

Hình 1.4 Những khoảng ánh sáng được hấp thụ bởi thực vật 11

Hình 1.5 Hệ thống thủy canh tĩnh 30

Hình 1.6 Hệ thống thủy canh hồi lưu 31

Hình 3.1 Các giống cải bó xôi trồng thủy canh trong thí nghiệm (42 NST) 53

Hình 3.2 Giống cải bó xôi PD512 trồng ở các dung dịch dinh dưỡng khác nhau (42 NST) 56

Hình 3.3 Giống cải bó xôi PD512 trồng ở các mức EC dung dịch khác nhau (42NST) 58

Hình 3.4 Giống cải bó xôi PD512 trồng ở các mức pH dung dịch khác nhau (42 NST) 61

Hình 3.5 Giống cải bó xôi PD512 trồng ở các khoảng trồng cách khác nhau (42 NST) 63

Hình 3.6 Động thái tăng trưởng chiều cao cây (A), số lá (B) của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh ở các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng PPFD = 190 µmol/m2/s) 67

Hình 3.7 Đặc điểm cấu trúc bộ rễ của cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh ở các phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (cùng PPFD = 190 µmol/m2/s) (30 NST) 75

Hình 3.8 Cấu trúc giải phẫu lá cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh ở phổ ánh sáng đèn LED khác nhau (ở cùng cường độ PPFD = 190 µmol/m2/s) (30NST) 78

Hình 3.9 Hình ảnh lớp biểu bì trên và dưới của lá cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh (ánh sáng vàng, cường độ 190 µmol/m2/s) (30NST) 79

Hình 3.10 Biểu bì trên của lá cải bó xôi giống PD512 ở các phổ ánh sáng khác

nhau (ở cùng 190 µmol/m2/s) (30NST) 80 Hình 3.11 Biểu đồ so sánh ảnh hưởng của các phổ ánh sáng khác nhau (ở cùng

cường độ PPDF=190 µmol/m2/s) đến các thông số khí khổng ở lớp

biểu bì trên của lá cải bó xôi giống PD512 (30NST) 81 Hình 3.12 Biểu bì dưới của lá cải bó xôi giống PD512 ở các phổ ánh sáng khác

nhau (ở cùng cường độ 190 µmol/m2/s) (30NST) 82 Hình 3.13 Biểu đồ so sánh ảnh hưởng của các phổ ánh sáng khác nhau (ở cùng

cường độ PPDF=190 µmol/m2/s) đến các thông số khí khổng ở lớp biểu bì dưới của lá cải bó xôi giống PD512 (30NST) 83 Hình 3.14 Cây cải bó xôi giống PD512 ở các công thức xử lý ánh sáng khác

nhau (ở cùng PPFD =190 µmol/m2/s) (30NST) 85 Hình 3.15 Hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong cải bó xôi giống PD512

trồng thủy canh ở các phổ ánh sáng khác nhau (ở cùng PPFD = 190 µmol/m2/s) (30 NST) 88 Hình 3.16 Hàm lượng các chất chống oxi hóa có trong cải bó xôi giống PD512

trồng thủy canh ở các phổ ánh sáng khác nhau (ở cùng PPFD = 190 µmol/m2/s) (30 NST) 89 Hình 3.17 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến cấu trúc giải phẫu

lá cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của đèn LED màu đỏ - xanh lam (21 NST) 103 Hình 3.18 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến đặc điểm lớp tế

bào biểu bì trên ở lá cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới

sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 108 Hình 3.19 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đến đặc điểm lớp tế

bào biểu bì dưới ở lá cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh dưới

sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 109

Hình 3.20 Cấu trúc bộ rễ ở các cường độ ánh sáng khác nhau của cải bó xôi

giống PD512 trồng thủy canh dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 111 Hình 3.21 Hình ảnh cây cải bó xôi giống PD512 trồng thủy canh ở các cường

độ ánh sáng khác nhau dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 114 Hình 3.22 Biểu đồ hàm lượng các chất dinh dưỡng có trong cải bó xôi giống

PD512 trồng thủy canh ở các cường độ ánh sáng khác nhau dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 117 Hình 3.23 Biểu đồ hàm lượng các chất chống oxi hóa có trong cải bó xôi giống

PD512 trồng thủy canh ở các cường độ ánh sáng khác nhau dưới sự kết hợp của ánh sáng đèn LED đỏ - xanh (21 NST) 120

M Ở ĐẦU

1 Lý do l ựa chọn đề tài

Nền nông nghiệp với môi trường được kiểm soát hiện đang phát triển một cách nhanh chóng với mục đích giải quyết vấn đề cung cấp thực phẩm không ổn định, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên và giảm tác động của các hoạt động nông

nghiệp đến môi trường (Miyagi & et al., 2017; Kozai, 2018) [78], [96] Khả năng

quản lý chính xác các thông số vật lý và hóa học trong các hệ thống trồng cây trong nhà kính (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chất dinh dưỡng, v.v.) sẽ giúp kiểm soát năng

suất và nâng cao chất lượng thực vật (Graamans et al., 2018) [55]

Bên cạnh đó, rau xanh là nguồn thực phẩm quan trọng trong việc bổ sung dinh dưỡng thiết yếu cho con người mỗi ngày Một số loại rau còn được xem như loại thực phẩm chức năng, được sử dụng như dược liệu quý giúp tăng cường sức khoẻ

và ngăn ngừa bệnh tật Rau cải bó xôi (Spinacia oleracea L.) là loại cây được lựa

chọn trồng trong nhà kính và cả trong các hệ thống trồng cây thương mại (plant factories) vì có chiều cao tương đối nhỏ lại cho phép sản xuất nhiều chu kỳ ngắn hạn trong năm, lợi nhuận kinh tế nhanh hơn nhiều so với một số loại rau ăn lá khác (Lu & Shimamura, 2018) [89] Đây cũng là loại rau cung cấp giá trị dinh dưỡng cao

do có chứa một loại hoạt chất steroid (tên khoa học là phutoecdy) có tác dụng thúc đẩy sự sản xuất protein trong cơ thể lên tới 20%, nhiều vitamin thiết yếu đối với cơ thể như: A, K, D, E, khoáng chất Fe, P, Ca… và nguồn axit béo thực vật omega 3

dồi dào (Ko et al., 2014) [75] Cây cải bó xôi hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng

trong phát triển sản xuất rau tại Việt Nam

Từ nhu cầu thực tế đó, việc trồng rau theo hướng mới như: trồng rau không dùng đất, không cần tưới, không cần sử dụng ánh sáng mặt trời và xây dựng mô hình sản xuất quy mô khép kín là yêu cầu cấp thiết hiện nay Trồng rau thủy canh là một trong những kỹ thuật sản xuất rau sạch phù hợp vì có khả năng tạo ra những sản phẩm đồng nhất, chất lượng, sản phẩm sạch, số lượng cây trồng lớn hơn trên một đơn vị diện tích nên năng suất cao, thu hoạch dễ dàng, tối ưu hóa phân bón,

lượng nước sử dụng, cây ít bị sâu bệnh và góp phần giải quyết tốt nhu cầu trồng rau

sạch tại nhà ở thành thị (Tomasi et al., 2015) [149]

Trong khi đó, công nghệ chiếu sáng bằng đèn LED được xem như nguồn chiếu sáng mới cho kỹ thuật trồng cây trong nhà với những ưu điểm vượt trội như tuổi thọ cao, kích thước nhỏ, có thể tạo ra các phổ ánh sáng đơn sắc phù hợp cho cây trồng v.v Mặt khác, khoảng 90% ánh sáng hấp thụ bởi lá cây thuộc vùng ánh sáng màu xanh lam hoặc đỏ (Terashima et al, 2009) [147], vì đây là hai vùng ánh sáng được diệp lục hấp thụ mạnh nhất Do đó, sự sinh trưởng phát triển của cây bị ảnh hưởng đáng kể bởi hai vùng ánh sáng này Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ

ra rằng, sự kết hợp giữa ánh sáng đèn LED màu đỏ và màu xanh theo tỷ lệ 1:1 có thể làm tăng khối lượng tươi và khô ở nhiều loài thực vật như Lilium và cà chua (Chen et al., 2014) [40] Không những thế, đèn LED rất phù hợp với các ứng dụng nghiên cứu (như trong buồng sinh trưởng, cho các ứng dụng nuôi cấy mô) Do đèn LED là một thiết bị trạng thái rắn nên có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điều khiển kỹ thuật số Sử dụng đèn LED như một nguồn ánh sáng nhân tạo cho cây

trồng không chỉ để tối ưu hóa chất lượng quang phổ cho các loại cây trồng khác nhau, các quá trình sinh lý khác nhau mà còn có thể tạo ra một hệ thống chiếu sáng được điều khiển kỹ thuật số và tiết kiệm năng lượng

Chính vì những lý do trên, chúng tôi đã tiến hành đề tài “Nghiên cứu ảnh

hưởng của ánh sáng đèn LED đến một số chỉ tiêu sinh lý, năng suất và phẩm

ch ất của cây cải bó xôi (Spinacia oleracea L.) trồng thủy canh”

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát

Xác định ảnh hưởng của chiếu sáng nhân tạo bằng đèn LED đến sinh trưởng, năng suất và chất lượng của cây cải bó xôi được trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu

2.2 Mục tiêu cụ thể

Xác định được các thông số kỹ thuật tối ưu cho cây cải bó xôi trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu (giống, dinh dưỡng, EC, pH, mật độ, thời gian thu hoạch phù hợp)

Xác định ảnh hưởng của ánh sáng nhân tạo chiếu bằng đèn LED gồm phổ phát quang và cường độ bức xạ hoạt tính quang hợp (PAR - Photosynthetically Active Radiation) (sau đây được gọi là cường độ ánh sáng) đến sinh trưởng, năng suất và

phẩm chất của cây cải bó xôi trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu

3 Nội dung nghiên cứu

N ội dung nghiên cứu của luận án như sau:

3.1 Nghiên cứu các thông số cơ bản cho kỹ thuật trồng cải bó xôi bằng phương pháp thủy canh hồi lưu

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng nhân tạo chiếu bằng đèn LED (phổ phát quang và cường độ ánh sáng) đến sinh trưởng, năng suất và phẩm chất của cây cải bó xôi trồng trên hệ thống thủy canh hồi lưu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4 2 Về mặt thực tiễn

Khuyến cáo sử dụng các thông số kỹ thuật tối ưu trồng cây cải bó xôi trên hệ

thống thủy canh hồi lưu (giống F1 PD512, dung dịch dinh dưỡng SH3, pH 6-6,5,

EC = 1200 µS/cm, khoảng cách trồng 15 cm x 12 cm, thời gian thu hoạch sau khi

ngừng cung cấp dinh dưỡng 4 ngày) đạt hiệu quả cao nhất

Đề xuất được loại đèn LED phù hợp với ánh sáng đỏ - xanh (4R:1B) và cường độ 190 µmol/m2/s để trồng rau cải bó xôi trên hệ thống thủy canh hồi lưu trong nhà

5 Những đóng góp mới của luận án

5.1 Đã xác định được các thông số tối ưu cho quy trình trồng rau cải bó xôi trên hệ thống thủy canh hồi lưu về giống, mật độ, dung dịch dinh dưỡng, pH, EC và thời gian ngừng cung cấp dinh dưỡng trước khi thu hoạch

5.2 Tìm được phổ ánh sáng nhân tạo của đèn LED phù hợp cho sinh trưởng của cây cải bó xôi trồng thủy canh cho năng suất cao và chất lượng tốt là ánh sáng đỏ-xanh lam với tỉ lệ 4R:1B và cường độ bức xạ hoạt tính quang hợp là 190 µmol/m2/s

6 Cấu trúc luận án

Luận án được cấu trúc làm 6 phần: mở đầu, nội dung, kết luận, danh mục các công trình khoa học đã công bố, tài liệu tham khảo và phụ lục Phần nội dung của

luận án được triển khai thành ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu (35 trang)

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (9 trang)

Chương 3: Kết quả và thảo luận (70 trang) với 28 bảng và 23 hình

C HƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Cây c ải bó xôi và giá trị dinh dưỡng

1.1.1 Đặc điểm sinh học

1.1.1.1 Nguồn gốc

Rau cải bó xôi có tên khác là rau chân vịt, rau pố xôi, bố xôi, rau nhà chùa,

bắp xôi, rau bina Tên khoa học là Spinacia oleracea L Đây là một loài thực vật có

hoa thuộc họ Dền (Amaranthaceae), thuộc lớp Hai lá mầm, có nguồn gốc ở miền Trung và Tây Nam Á

1.1.1.2 Phân loại

Phân loại khoa học (USDA, NRCS, 2010)

Bộ (Ordo) Caryophyllales

Họ (Familia) Amarathanceae

1.1.1.3 Hình thái, sinh lý sinh trưởng

* Hình thái, sinh lý sinh trưởng

Hình 1.1 Hình thái của cây cải bó xôi (A: Cây, B: Hoa ,C: Hạt)

(http://www.botany.hawaii.edu/faculty/carr/chenopodi.htm) [174]

Cải bó xôi là cây trồng 1 năm, chiều cao khoảng 30 cm, lá hình oval, màu xanh đậm, cuống nhỏ, các lá chụm lại tại gốc rất nhỏ, cả lá và thân đều giòn, dễ dập gãy, hoa có màu vàng xanh Đặc điểm cải này có vị ngọt, tính mát (theo Báo Y dược Việt Nam 15/5/2017: http://ydvn.net/contents/view/20838.cay-cai-bo-xoi-spinacia-oleracea.html) [170]

Cải bó xôi là cây rau ở xứ lạnh, ưa khí hậu mát lạnh, chịu được rét, không chịu nóng Cây sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 18-200C, sinh trưởng chậm khi nhiệt độ là

100C, cây có thể chịu nhiệt độ thấp -100C

Cây cần ánh sáng nhẹ trong quá trình phát triển thân lá, ánh sáng quá mạnh không có lợi cho cây Cải bó xôi có khả năng chịu bóng râm, vì vậy có thể trồng xen lẫn với các cây cao khác Rau cải bó xôi là cây trồng mùa đông thích nghi với ánh sáng hạn chế là một thuộc tính có giá trị trong điều kiện sử dụng nguồn ánh sáng nhân tạo với chi phí cao Hơn nữa, do có lá tương đối phẳng lớn (một đặc tính hữu ích cho nghiên cứu sinh lý và hóa sinh), cũng như sinh trưởng mạnh, nên đáp

ứng với những thay đổi của điều kiện môi trường (Proietti et al., 2009) [118]

1.1.2 Giá tr ị dinh dưỡng và giá trị trong nghiên cứu khoa học

Đây là loại rau tốt cho sức khỏe, đồng thời cũng là một vị thuốc Các khoáng chất trong rau cải bó xôi giúp kiềm hóa, cân bằng chế độ ăn uống axit cao, nguyên nhân của bệnh béo phì và các chứng bệnh khác Các carotenoid được tìm thấy trong cải bó xôi có tác dụng bảo vệ mắt khỏi các bệnh như đục thủy tinh thể và thoái hóa điểm vàng… Vitamin K cùng với canxi và magiê có trong cải bó xôi giúp hệ xương chắc khỏe Hàm lượng viamin A giúp da khỏe mạnh, duy trì độ ẩm thích hợp Vitamin C có trong cải bó xôi hoạt động như một chất chống oxi hóa có thể hòa tan trong nước, giúp làm giảm nguy cơ gây ra rất nhiều bệnh tật Do đó, ăn cải bó xôi có thể giúp chống lại nhiễm trùng và giữ cho hệ thống miễn dịch luôn khỏe mạnh Đây cũng là món uống có giá trị dinh dưỡng Trong rau cải bó xôi có một loại hóa chất steroid tên khoa học là phutoecdy có tác dụng thúc đẩy sự sản xuất protein tự nhiên trong cơ thể lên tới 20% [172]

Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng có trong 100g rau cải bó xôi

(USDA, Food Composition Databases)

Giá trị dinh dưỡng 100g khối lượng tươi

có chứa các chất chống oxi hóa chính của nhóm carotenoid và polyphenol Rau cải

bó xôi chứa hầu hết sulfoquinovosyl diacylglycerol (SQDG) và monogalactosyl diacylglycerol (MGDG) trong thành phần của glycoglycerolipid Glycoglycerolipid trong rau cải bó xôi khi dùng đường uống có thể ức chế sự phát triển tế bào ung thư của con người và ức chế sự tăng sinh khối u rắn in vivo Do đó, cải bó xôi là một

loại thực phẩm chức năng có khả năng chống ung thư Nếu như rau mùi tàu có tổng lượng glycoglycerolipid lớn nhất (793,3mg/100g khối lượng tươi), ớt ngọt có lượng glycoglycerolipid nhỏ nhất (61,3 mg/100g khối lượng tươi) (trong số các 11 loại rau được thử nghiệm) và rau mùi tàu có lượng digalactosyl diacylglycerol (DGDG) lớn nhất (305,3mg/100g khối lượng tươi) thì trong khi rau cải bó xôi có nhiều MGDG

và SQDG nhất (lần lượt là 480,6 và 52,7 mg/100g khối lượng tươi) Rau cải bó xôi cũng chứa lượng glycoglycerolipid lớn thứ hai (642,6 mg/100g khối lượng

tươi) Những kết quả này cho thấy, rau cải bó xôi (Spinacia oleracea L.) có thể

là một thực phẩm chức năng có khả năng chống ung thư khá mạnh (Maeda et al.,

2010) [92]

Hơn nữa, rau cải bó xôi là một trong những cây trồng ALS (Advanced Life Support) của NASA, được chọn để tăng cường sự đa dạng trong chế độ ăn uống cho các phi hành gia trên Trạm vũ trụ quốc tế, Mặt trăng và các căn cứ sao Hỏa NASA quan tâm đến rau cải bó xôi như một loại cây trồng ALS bởi: 1) sản xuất thành phần chống độc (liên kết canxi), axit oxalic, 2) khả năng sinh sắt khả dụng cao (trong khi

các phi hành đoàn chuyến bay có thể bị giảm số lượng hồng cầu) (Johnson et al.,

1999) [68] Với đặc tính tăng trưởng thấp và chu kỳ sinh trưởng ngắn (30 ngày), rau cải bó xôi là một lựa chọn thích hợp trong số các loại rau ăn lá ALS để cung cấp cho chế độ ăn của phi hành gia như một nguồn rau tươi linh hoạt Trên quan điểm thương mại, rau cải bó xôi đang ngày càng có tầm quan trọng kinh tế ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Mỹ, nhất là khi rau cải bó xôi thủy canh đang trở nên phổ biến rộng rãi Chuyển giao công nghệ ALS và CEA (Controlled Environment Agriculture) sang sản xuất thủy canh thương mại loại cây trồng có thu nhập cao này đang làm cho việc sản xuất rau cải bó xôi quanh năm trở thành hiện thực khả thi ở Mỹ

Đây cũng là một loại cây rau được sử dụng rộng rãi cho nhu cầu rau xanh của con người và nó được coi là cây trồng điển hình trong một số nghiên cứu Rau cải bó xôi cũng là loại cây trồng có khả năng thích nghi ở điều kiện nhiệt độ thấp do sự điều chỉnh sâu sắc của quá trình trao đổi chất ở lá Sự trao đổi chất này bao gồm cả

sự gia tăng các enzyme quang hợp (phụ thuộc ít nhiều vào trạng thái carbohydrate

và đặc điểm của lá) cũng như tăng khả năng thu dọn các dạng oxi hoạt hóa Bên cạnh đó là sự liên quan đặc biệt đến việc tăng hàm lượng axit ascorbic trong lục lạp và rõ rệt hơn ở phiến lá (Schöner & Krause, 1990) [133] Rau cải bó xôi cũng đã được dùng làm cây mẫu (the model plant) để nghiên cứu sự thay đổi sinh lý

và chất lượng trong các điều kiện nhiệt độ và ánh sáng khác nhau Kết quả đã cho thấy hàm lượng axit ascorbic, nitrate và axit oxalic, có thể bị ảnh hưởng độc lập bởi các thông số môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ không khí hoặc cường

độ ánh sáng (Proietti et al., 2009) [118]

1.2 Ánh sáng đèn LED đối với sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng 1.2.1 Các thông số ánh sáng và mức độ ảnh hưởng đến cây trồng

Cây cần ánh sáng trong suốt cuộc đời của nó từ nảy mầm đến ra hoa và tạo hạt giống Ba thông số của ánh sáng nuôi cây được sử dụng trong ngành công nghiệp nhà kính là: số lượng, chất lượng và thời gian Tất cả ba thông số có hiệu quả khác

nhau đến cây trồng (Singh et al., 2015) [136]:

- Số lượng ánh sáng (cường độ): Số lượng hoặc cường độ ánh sáng là thông số

chính ảnh hưởng đến quang hợp, phản ứng quang hóa trong lục lạp của tế bào thực vật Trong đó, năng lượng ánh sáng được sử dụng để chuyển đổi CO2 trong khí quyển thành các hợp chất carbohydrate

- Chất lượng ánh sáng (phân phối quang phổ): Chất lượng ánh sáng dùng để

chỉ sự phân bố quang phổ của bức xạ, chẳng hạn phần bức xạ ở các vùng bước sóng màu xanh lam, màu xanh lá cây, đỏ hoặc các vùng ánh sáng khác nhìn thấy hoặc không nhìn thấy Đối với quang hợp, thực vật phản ứng mạnh với ánh sáng đỏ và xanh lam Phân phối quang phổ ánh sáng cũng có ảnh hưởng đến quang phát sinh

hình thái ở thực vật, sinh trưởng phát triển và ra hoa

- Thời gian chiếu sáng-tối (quang chu kỳ): Quang chu kỳ chủ yếu ảnh hưởng

đến ra hoa Thời gian ra hoa ở thực vật có thể được kiểm soát bằng cách điều khiển thời gian chiếu sáng

Cây không hấp thụ tất cả các bước sóng của ánh sáng (bức xạ mặt trời), chúng chỉ hấp thụ các bước sóng thích hợp theo yêu cầu của nó Phần quan trọng nhất của quang phổ ánh sáng trong khoảng 400-700 nm được gọi là bức xạ hoạt động của quang hợp (PAR-photosynthetically active radiation), phạm vi quang phổ này tương

ứng với khoảng quang phổ nhìn thấy của mắt người (Chen et al., 2014) [40]

Chlorophyll (chlorophyll a và b) đóng một vai trò quan trọng trong quang hợp, nhưng chúng không chỉ là chromophore Cây còn có sắc tố quang hợp khác, được gọi là sắc tố vệ tinh hay sắc tố kèm (ví dụ như carotenoid: β-carotene, zeaxanthin, lycopene và lutein v.v), chúng tham gia vào sự hấp thụ ánh sáng và đóng một vai trò quan trọng trong quang hợp tạo nên năng suất cây trồng (Hình 1.2)

H ình 1.2 Phổ hấp thu của chlorophyll và carotenoid (Nguồn: Chen et al , 2014) [40]

Phổ bức xạ mặt trời chủ yếu bao gồm ba phần: tia cực tím (UV), ánh sáng nhìn

thấy và tia hồng ngoại (Hình 1.3 và Hình 1.4):

Hình 1.3 Các phổ bước sóng ánh sáng(Nguồn: http://dennangluongmattroigivasolar.blogspot.com/2019/01/nhung-phep-

do-can-biet-khi-su-dung-den-led-nong-nghiep.html) [175]

Hình 1.4 Những khoảng ánh sáng được hấp thụ bởi thực vật

(Phạm vi của các bước sóng được cảm nhận bởi các tế bào cảm quang thực vật chính: phytochromes, cryptochromes, phototropins và UVR8, cho phép thực vật

thích nghi phát triển dựa vào ánh sáng

(Nguồn: http://www.biologie.ens.fr/smdgs/spip.php?article57) [176]

- 200-280 nm (tia cực tím C): Đây là phần quang phổ có hại cho cây vì có độc tính cao UVC bị chặn bởi tầng ozone trên mặt đất, vì vậy nó không chiếu tới được bề mặt trái đất

- 280-315 nm (tia cực tím B): Phần này không phải là rất có hại nhưng khả năng gây mất mầu ở lá cây

- 315-380 nm (tia cực tím A): Phần ánh sáng này không có bất kỳ ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực nào đến sinh trưởng ở thực vật

- 380-400 nm (tia cực tím A/ánh sáng nhìn thấy): Bắt đầu quang phổ của ánh sáng nhìn thấy, bắt đầu quá trình hấp thụ ánh sáng bởi sắc tố thực vật (chlorophyll

và carotenoid)

- 400-520 nm (ánh sáng nhìn thấy): Chứa tia tím, xanh lam và dải màu xanh

lá cây Đỉnh hấp thụ của chlorophyll xảy ra trong phạm vi này Nó có ảnh hưởng rất lớn đến quang hợp và tăng trưởng ở thực vật

- 520-610 nm (ánh sáng nhìn thấy): Vùng ánh sáng này có chứa dải màu xanh lá cây, màu vàng và màu da cam Phạm vi này là ít hấp thụ bởi các sắc tố thực vật Nó ít ảnh hưởng đến quang hợp và tăng trưởng thực vật

- 610-720 nm (ánh sáng nhìn thấy): Chứa dải màu đỏ Sự hấp thụ phần lớn xảy ra ở phạm vi này Dải ánh sáng này ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự sinh trưởng sinh dưỡng, quang hợp, ra hoa và nở hoa ở thực vật

- 720-1000 nm (màu đỏ xa/hồng ngoại): Nảy mầm và ra hoa bị ảnh hưởng bởi phạm vi này mặc dù hấp thụ ít xảy ra ở dải ánh sáng này

- > 1000 nm (hồng ngoại): Tất cả hấp thụ ở vùng ánh sáng này được chuyển thành nhiệt

1.2.2 Tính ưu việt của việc sử dụng đèn LED (light-emitting diode) cho cây trồng

1.2.2.1 Đặc điểm và tính ưu việt của đèn LED so với các nguồn sáng khác khi

s ử dụng cho cây trồng

LED là ánh sáng trạng thái rắn, phát ra từ một loại chất bán dẫn, cho phép kiểm soát thành phần quang phổ và cường độ ánh sáng thích hợp để liên kết với các bộ phận cảm biến và tiếp nhận ánh sáng của cây Chính sự hoạt động của các bộ phận cảm biến này sẽ ảnh hưởng đến hình thái thực vật, các quá trình sinh lý khác nhau cũng như khả năng ra hoa và hiệu quả của quang hợp, do đó giúp cây tăng trưởng tốt hơn LED có khả năng sinh ra các dòng sáng phát quang cao nhưng nhiệt bức xạ thấp và duy trì hiệu quả của ánh sáng trong nhiều năm, bên cạnh đó đèn LED có khối lượng nhỏ, độ bền, tuổi thọ dài, thân thiện với môi trường và lượng photon sản sinh ra tỉ lệ tuyến tính với dòng điện đầu vào (Xu, 2019) [162] Các nguồn ánh sáng truyền thống như đèn natri cao áp (pressure sodium lamps-HPS) và

đèn halogen kim loại (metal halide lamps-MH)được sử dụng cho trồng trọt không hiệu quả lắm Đèn HPS phát ra nhiệt độ cao, lớn hơn hoặc bằng 200oC, dẫn đến tỏa nhiệt bức xạ đáng kể trực tiếp vào môi trường (Opdam et al., 2004) [106] Nhiệt bức xạ sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển của cây nếu đèn được đặt gần cây Đó là lý do tại sao những bóng đèn này luôn được đặt ở một chiều cao nhất định (lớn hơn 2m) Mặc dù những nguồn này được sử dụng để tăng lượng photon quang hợp nhưng có bước sóng không cần thiết nằm ngoài quang phổ bức xạ hoạt động quang hợp và có chất lượng thấp để thúc đẩy tăng trưởng của cây, không những thế lại tạo ra nhiệt bức xạ cao Đặc tính sinh nhiệt bức xạ này hạn chế khả năng sử dụng

đèn HPS ở hệ thống nhà kính trong tương lai (Pattison et al., 2018; Nicole et al.,

2019) [103], [115] Các bóng đèn huỳnh quang phát sáng phải được định kỳ thay thế và tiêu tốn rất nhiều điện năng, đồng thời tỏa nhiệt ra môi trường bên ngoài

(Tennessen et al., 1994) [146] Bên cạnh đó, các bóng đèn huỳnh quang có tuổi thọ khoảng 20.000 giờ trong khi bóng đèn sợi đốt tối đa đạt khoảng 1000 giờ Những loại đèn này có vỏ mỏng manh và dễ vỡ, trong khí đó đèn LED không có lớp vỏ như vậy nên không dễ hỏng và cháy như bóng đèn huỳnh quang Thông thường, các đèn LED được biết đến có tuổi thọ khoảng từ 30.000 đến 50.000 giờ và thậm chí còn hơn thế nữa Do nhiệt bức xạ sinh ra thấp, đèn LED có thể được đặt gần các cây

và được thiết kế để phát ra lượng ánh sáng lớn, thậm chí với cường độ cao (Xu, 2019) [162]

Thực tế, năng lượng là một yếu tố quan trọng đóng góp khoảng 20-30% tổng chi phí sản xuất trong ngành công nghiệp nhà kính (Brumfield, 2007) [35] Tất nhiên, tỏa nhiệt là một yếu tố làm tăng chi phí đáng kể trong ngành công nghiệp nhà kính, nhưng nhiệt được tạo ra bởi đèn HPS lại không góp phần đáng kể để giữ ấm nhà kính cũng như cho sự phát triển tối ưu cây trồng Do đó, một công nghệ mới làm giảm đáng kể điện năng tiêu thụ và tạo ra nhiệt bức xạ thấp cho cây trồng, đồng

thời có khả năng duy trì, thậm chí cải thiện giá trị cây trồng (sinh khối và dinh dưỡng) là mối quan tâm lớn đối với ngành công nghiệp nhà kính Chính vì vậy, đèn

LED ra đời và góp phần đáng kể vào việc giải quyết những hạn chế nêu trên (Bantis

et al., 2016) [29]

Bên cạnh đó, đèn LED cũng phù hợp với các ứng dụng nghiên cứu (ví dụ như trong buồng sinh trưởng, cho các ứng dụng nuôi cấy mô) Do đèn LED là một thiết

bị trạng thái rắn nên có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điều khiển kỹ thuật

số Trên cơ sở đó, có thể xây dựng các chương trình chiếu sáng phức tạp như cường độ hoặc thành phần quang phổ khác nhau trong suốt quá trình phát triển của cây

trồng (Nicole et al , 2019) [103]

Ở Việt Nam có một số lĩnh vực đôi khi bắt buộc phải sử dụng cây nuôi cấy

mô, chẳng hạn như sản xuất cây giống hoa, cây lâm nghiệp Vấn đề đặt ra là cần phải có các nguồn sáng chuyên dụng vừa tiết kiệm năng lượng vừa cho kết quả nhân giống tốt Song, đèn huỳnh quang sử dụng trong các phòng nuôi cấy mô hiện nay chỉ phù hợp cho mục đích chiếu sáng thông thường (phổ ánh sáng thích hợp theo mắt người có bước sóng tập trung trong khoảng 500-600nm), trong khi vùng ánh sáng đỏ là vùng diệp lục hấp phụ quan trọng nhất cho quang hợp thì rất thiếu Các đèn compact cũng thiếu vùng ánh sáng đỏ cho cây Đèn thủy ngân có tỷ lệ ánh sáng đỏ cao nhưng hiệu suất thấp Đèn natri lại thiếu vùng ánh sáng xanh lam, vùng mà diệp lục sử dụng mạnh Vì thế, việc chế tạo đèn chỉ phát những tia sáng phù hợp với phổ hấp phụ của diệp lục sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng ánh sáng của cây và làm giảm năng lượng chi phí do phát ra ngoài bước sóng mà cây cần [160]

1.2.2.2 Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng đèn LED cho cây trồng

Đánh giá về hiệu quả kinh tế khi so sánh giữa ánh sáng truyền thống với ánh sáng LED đã cho thấy, việc sử dụng đèn LED cho phép giảm chi phí sản xuất rau dài ngày (vài năm), do hiệu quả sử dụng năng lượng cao, chi phí bảo trì thấp và tuổi thọ cao Do đó, đèn LED rất có tiềm năng để thay thế cho các nguồn chiếu sáng hiện tại

Về hiệu suất, một bóng đèn sợi đốt sẽ chuyển ít hơn 5% năng lượng điện đầu vào thành ánh sáng, trong khi đèn LED thương mại có hiệu suất được biết đến lớn

hơn 50% Điều này cho thấy tiềm năng hiệu quả sử dụng năng lượng của đèn LED trong chiếu sáng (Singh et al , 2015) [136]

Mặc dù, có thể cho rằng đèn LED có những đặc điểm phù hợp cho việc trồng cây trong nhà kính như: Giảm tiêu thụ năng lượng lên đến 70% so với đèn chiếu sáng truyền thống, khởi động nhanh chóng và hoạt động ở trạng thái ổn định, các chức năng điện tử đơn giản, hiệu suất lượng tử tương đối cao; Nhiệt độ ổn định bên trong buồng tăng trưởng và nhà kính; Cho phép kiểm soát thành phần quang phổ của các bước sóng màu xanh lam, màu xanh lá cây, đỏ và bước sóng đỏ xa; Giảm stress nhiệt trên cây trồng; Giảm tưới nước và duy trì độ thông gió; Thời gian sống, độ an toàn và kích thước nhỏ gọn… Tuy nhiên, chi phí vốn cao của hệ thống chiếu sáng LED là một khía cạnh quan trọng liên quan đến những hạn chế khi hình thành công nghệ LED cho hệ thống ánh sáng nhà kính Song, phát triển công nghệ và sản xuất hàng loạt dựa trên nhu cầu cao nói chung và trong ngành công nghiệp nhà kính nói riêng trong tương lai, dự kiến sẽ làm giảm đáng kể chi phí vốn đầu tư Một hệ thống đèn LED được thiết kế đúng cách sẽ mang lại hiệu suất cao và tuổi thọ vượt

xa so với nguồn ánh sáng truyền thống Nghiên cứu về ánh sáng đèn LED cho sự phát triển của cây trồng đã được tiến hành trong nhiều năm trở lại đây Ánh sáng LED áp dụng với nhiều loại rau đã cho kết quả tốt về năng suất tối đa, chất lượng dinh dưỡng tối ưu và sẽ là tiền đề cho việc chấp nhận rộng rãi hơn của công nghệ ánh sáng LED ở hệ thống nhà kính trong tương lai (Singh et al , 2015) [136] Một số nghiên cứu đã được tiến hành đánh giá vai trò của đèn LED trong việc tạo ra các sản phẩm thương mại trong hệ thống nhà kính Các nhà khoa học tại Đại học Purdue (Mỹ) đã thử nghiệm việc bổ sung chiếu sáng bằng đèn LED đỏ và xanh cường độ cao để sản xuất cà chua quanh năm so với bổ sung ánh sáng bằng đèn HPS truyền thống Các kết quả cho thấy, những người trồng cà chua trong nhà kính có thể đạt được cùng một lượng cà chua khi sử dụng đèn LED chỉ tiêu thụ 25% năng lượng so với đèn truyền thống Các kết quả tương tự đã được báo cáo cho các loại cây trồng khác như dưa chuột và rau diếp Đèn truyền thống (HPS) chỉ chuyển 30% năng lượng thành ánh sáng có thể sử dụng được và 30% bị mất dưới dạng

nhiệt, trong khi đèn LED có thể chuyển đổi đến 50% và có thể được tối ưu hóa cho các bước sóng khác nhau (Kacira, 2011) [69]

Nhu cầu của thị trường đối với việc trồng cây trong nhà kính đã tăng rất nhanh chóng nhằm đáp ứng các yêu cầu về rau và hoa (đặc biệt là rau, hoa trái vụ) Trên phạm vi toàn cầu, Trung Quốc có hệ thống trồng cây trong nhà kính cao nhất còn Tây Ban Nha là nhà sản xuất rau xanh chính ở Châu Âu Kết quả khảo sát về nghề làm vườn do Bộ Nông nghiệp Hà Lan đưa ra cho thấy cà chua, dưa chuột, rau xà lách và rau diếp là những cây trồng quan trọng được sản xuất bởi công nghệ trồng cây trong nhà kính ở châu Âu Tại Đức, trong tất cả các ngành công nghiệp nhà kính đang phát triển, thì cà chua được xem như là cây trồng chính của họ Các điều tra kinh tế đã báo cáo rằng 25-35% chi phí sản xuất cho trồng cà chua dành cho chế độ nhiệt và chiếu sáng Công nghệ trồng cây trong nhà kính đang tìm kiếm cách tiếp cận hiệu quả năng lượng mới để giảm chi phí sản xuất và đèn LED có thể cung cấp

giải pháp ánh sáng nhà kính với hiệu quả năng lượng và tuổi thọ cao (Gómez et al.,

2013) [54]

1.2.3 Nh ững nghiên cứu về sử dụng đèn LED cho cây trồng trên thế giới

1.2.3.1 Những nghiên cứu về ánh sáng đèn LED đối với sự nảy mầm của hạt giống cây trồng

Ánh sáng đèn LED đã được nghiên cứu ứng dụng cho cây trồng ngay cả ở giai đoạn nảy mầm của hạt giống Tehrani et al (2016) đã nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đỏ và xanh lên sự nảy mầm, các đặc điểm giải phẫu và siêu cấu trúc của

lục lạp trong hạt cải dầu (Brassica napus 'Modena') Hạt cải dầu đã nảy mầm ở 2, 4

và 8h dưới ánh sáng LED khác nhau: ánh sáng trắng (đối chứng), ánh sáng đỏ (638 nm) và ánh sáng xanh (450 nm) Tỷ lệ nảy mầm của hạt dưới ánh sáng đỏ tăng đáng

kể so với đối chứng; tuy nhiên ánh sáng xanh làm giảm đáng kể tỷ lệ nảy mầm của hạt Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy chiều dài chồi mầm, sinh khối, đường kính thân được tăng lên đáng kể khi xử lý ánh sáng xanh lam Có thể việc xử lý ánh sáng xanh thúc đẩy quang hợp trong lá và tạo ra sinh khối cây cao hơn so với đối chứng

hoặc xử lý ánh sáng đỏ (Tehrani et al., 2016) [145]

Ánh sáng và nhiệt độ là yếu tố quan trọng cho sự nảy mầm và sinh trưởng của thực vật Để cải thiện sinh lý của rau diếp dưới nhiệt độ cao, nghiên cứu của Pardo

et al (2016) đã đánh giá ảnh hưởng của ánh sáng LED lên sự nảy mầm, chiều dài thân mầm, khối lượng tươi, khối lượng khô và sắc tố quang hợp (chlorophyll a, b và carotenoid) của cây rau diếp [100] Tám cách xử lý ánh sáng kết hợp từ 4 bước sóng ánh sáng (đỏ, xanh lam, xanh lá cây, trắng) ở 2 tần số (25, 50 Hz) và một công thức đối chứng đã được nghiên cứu Sự nảy mầm và sự phát triển của cây con được thực hiện với thời gian chiếu sáng 12 giờ, nhiệt độ trung bình là 37°C mỗi ngày Kết quả cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê cao (p <0,01) ở các công thức xử lý ánh sáng khác nhau Ánh sáng đỏ ở tần số 50 Hz có tỉ lệ nảy mầm và chiều dài thân mầm cao nhất, tăng 8 và 35% tương ứng so với đối chứng; khối lượng khô lớn nhất thu được với ánh sáng màu xanh và đỏ ở 50 Hz và tăng hơn đối chứng tương ứng là

45 và 28% Đối với sắc tố quang hợp, công thức xử lý có giá trị cao nhất tương ứng với ánh sáng màu xanh lam ở 25 và 50 Hz Kết quả tốt nhất cho các công thức là xử

lý với ánh sáng đỏ với tần số 50 Hz, ngoại trừ các sắc tố quang hợp ở công thức

được kết hợp với ánh sáng màu xanh (Pardo et al., 2016) [110]

Những nghiên cứu kể trên cho thấy, ánh sáng đèn LED có ảnh hưởng đến giai đoạn nảy mầm của hạt Trong đó, ánh sáng đỏ có tác động thúc đẩy tỉ lệ nảy mầm còn ánh sáng xanh thúc đẩy sinh trưởng của cây mầm

1.2.3.2 Những nghiên cứu về ánh sáng đèn LED đối với sinh trưởng, năng suất

và chất lượng cây trồng

Không chỉ sử dụng ở ánh sáng đèn LED để tăng cường khả năng nảy mầm của hạt Cường độ ánh sáng, phổ phát quang và chu kỳ chiếu sáng rất cần thiết cho sự phát triển, hình thái học, quá trình trao đổi chất và các phản ứng sinh lý khác nhau

của thực vật (Mitchell et al., 2015; Viršilė et al., 2017; Zhang et al., 2018) [95],

[154], [169]

* Nghiên cứu về phổ ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng, năng suất và chất

l ượng cây trồng:

- Đèn LED ánh sáng đỏ và xanh lam: Các hệ thống đèn LED chiếu sáng bổ

sung của thực vật thường có ba loại: kết hợp màu đỏ và màu xanh lam, tất cả màu xanh lam, tất cả màu đỏ nên có thể cung cấp các bước sóng ánh sáng đỏ và xanh lam mà bao trùm phạm vi bước sóng cần thiết cho quá trình quang hợp của cây Có hai đỉnh năng lượng trong quang phổ của đèn LED trắng hay được sử dụng là vùng màu xanh lam có bước sóng 445nm và vùng màu vàng lục 550 nm Tuy nhiên, dải sóng 610 ~ 720nm mà thực vật cần tăng trưởng thiếu, khiến hiệu quả bổ sung ánh sáng rất thấp Vì tỷ lệ ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh của ánh sáng mặt trời là khoảng 6,8: 1 hoặc hơn, trong khi đó để phù hợp đối với rau ăn lá, tỷ lệ này dưới 6,8: 1 (đỏ: xanh <6,8: 1) và đối với hoa trang trí đặc biệt đối với cây ăn quả, tỷ lệ được phân bổ

lớn hơn 6,8: 1 (Johkan et al., 2012) [67] Để giải quyết vấn đề này, sự đổi mới tỷ lệ

đỏ và xanh cần được nghiên cứu, tỷ lệ đỏ và xanh có thể được chuyển đổi giữa 4: 1

và 9: 1 nhằm cải thiện hơn nữa hiệu quả của hệ thống chiếu sáng bổ sung bằng đèn

LED (Xu et al., 2016) [163]

Sự thay đổi của quang phổ ánh sáng đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến các chỉ số giải phẫu, sinh lý và hình thái của lá Người ta đã chỉ ra rằng, phổ màu xanh tăng độ dày của lớp biểu bì và các tế bào mô mềm lá, trong khi đó phổ đỏ giảm độ dày của

lớp biểu bì trên và mô xốp (Macedo et al., 2011) [91] Mặc dù, ánh sáng đỏ

(610-720 nm) là cần thiết cho sự phát triển bộ máy quang hợp cũng như quá trình quang hợp, nhưng ánh sáng màu xanh (400-500nm) cũng rất quan trọng cho sự tổng hợp chlorophyll, lục lạp, sự đóng mở của khí khổng và quá trình quang phát sinh hình thái Tuy nhiên, các bước sóng khác nhau của ánh sáng màu đỏ (660, 670, 680 và

690 nm) và màu xanh (430, 440, 460 và 475 nm) có thể có ảnh hưởng không giống

nhau trên cây trồng phụ thuộc vào các loài thực vật (Li et al., 2017) [86]

Không những thế, sự kết hợp ánh sáng LED màu xanh lam và đỏ trong phổ ánh sáng nhìn thấy đã được chứng minh là hiệu quả cho quang hợp và sự tăng

trưởng bình thường của các loại cây trồng khác nhau (Wang et al., 2016; Viršilė et

al , 2017; Bian et al., 2018) [31], [154], [156] Li et al (2017) cũng đã chỉ ra rằng

so với đèn LED trắng, chiều cao và đường kính thân của cây cà chua được tăng cường đáng kể nhờ sự kết hợp giữa đèn LED đỏ và xanh lam Ngoài ra, ánh sáng đỏ đơn sắc làm tăng hàm lượng fructose, glucose Sự kết hợp của đèn đỏ và xanh lam tăng cường đáng kể sự tích lũy carbohydrate, tinh bột và sucrose, đặc biệt là công thức xử lý ánh sáng đỏ xanh với tỉ lệ 3:1 Đây đồng thời cũng là công thức có lượng sucrose synthase (SS) đạt giá trị cao nhất, theo đó hàm lượng tinh bột cao hơn đáng

kể nên đã cải thiện năng suất và chất lượng của quả cà chua (Li et al., 2017) [86]

Tương tự, ảnh hưởng của đèn LED đơn sắc đỏ, xanh lam và sự kết hợp của chúng

với tỉ lệ 1: 1, 1: 2 và 2: 1 trên cây rau diếp (Lactuca sativacv) đã được thực hiện

(Ngilah et al., 2018) [102] Cây con được trồng ở dung dịch Hoagland, EC dao động từ 1100 đến 1300 µS/cm và pH 6-7 Kết quả thu được cho thấy ánh sáng đơn sắc đỏ không thích hợp để trồng loại rau này, trong khi phân tích phương sai chỉ ra rằng cây được trồng dưới ánh sáng xanh có chiều cao cây lớn nhất sau năm tuần thu hoạch, nhưng những cây này có số lượng lá thấp nhất Khối lượng tươi cao nhất thu được với 18 giờ chiếu sáng Khi kết hợp 18h chiếu sáng với BR hoặc 2BR là tốt

nhất để trồng L sativa cv (Ngilah et al , 2018) [102] Jishi et al (2016) cũng thu

được kết quả tương tự trên đối tượng cây trồng này khi chuyển đổi các giờ bức xạ

của đèn LED xanh và đỏ (Jishi et al., 2016) [66]

Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng ánh sáng LED có hiệu quả trong việc điều chỉnh hàm lượng phenylpropanoids, glucosinolates, polyphenol, flavonoid

và một số chất chống oxi hóa trong bắp cải Trung Quốc (Brassica rapa ssp Tekinensis) (Kim et al., 2015; Zhang et al., 2015; Lee et al., 2016) [73], [81], [168]

Trong nghiên cứu sử dụng phổ ánh sáng khác nhau (đỏ, xanh và trắng) chiếu bởi đèn LED để tăng cường hàm lượng AsA (axit L-ascuricic) trong cây bắp cải Trung Quốc, công thức LED màu xanh với cường độ 125 μmol/m2/s đã làm tăng hàm lượng AsA lên 40% so với công thức đèn LED ánh sáng trắng Trong khi đó, ánh sáng LED màu xanh gây ra biểu hiện của các gen liên quan đến sinh tổng hợp AsA

nhưng làm giảm hàm lượng các gốc oxi hoạt hóa (ROS) (Kang et al., 2019) [70]

Trong nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng LED màu đỏ (80%) và xanh lam (20%) đối với hàm lượng rutin trong lá cà chua Kết quả cho thấy, rằng đèn LED bổ sung gây ra sự tích tụ các chất chuyển hóa thứ cấp trong lá cà chua được trồng trong nhà kính như nồng độ rutin, flavonoids cao hơn ở lá non và một phần ở lá trưởng thành

(Groher et al., 2019) [56] Trước đó, Jiang et al (2017) đã quan sát thấy năng suất quả, hàm lượng chất rắn hòa tan và axit ascobic đều tăng khi ánh sáng LED bổ sung

từ bên dưới và bên trong tán cây cà chua (Jiang et al., 2017) [64]

Sinh trưởng của cây rau là yếu tố quyết định năng suất, chịu tác động mạnh

mẽ bởi ánh sáng, đồng thời hàm lượng các chất dinh dưỡng cũng thay đổi dưới các chế độ chiếu sáng khác nhau Nồng độ nitrate trong các bộ phận ăn được của thực vật là yếu tố rất quan trọng Nitrate chuyển hóa ở đa số các loài thực vật chịu tác động của ánh sáng Wojciechowska et al (2016) [159] đã nghiên cứu ảnh hưởng

của việc bổ sung ánh sáng đèn LED và HPS cũng như bức xạ mặt trời đến nồng độ

nitrate và sự trao đổi chất ở cây rau xà lách bắp Valerianella locusta

'Nordhollandse' trong 30 và 60 ngày chiếu sáng Hàm lượng nitrate giảm đáng kể ở cây rau xà lách bắp được trồng dưới 90% ánh sáng đỏ + 10% ánh sáng LED xanh so với các cây được trồng dưới ánh sáng HPS Mức giảm lớn nhất (khoảng 1600 mg

NO3-/kg khối lượng tươi) được quan sát thấy ở ngày chiếu sáng thứ 60 Hoạt động của enzyme nitrate reductase (NRA) đã bị ảnh hưởng ở mức độ lớn hơn theo sự tăng trưởng của thực vật khi xử lý ánh sáng Trung bình, sau 30 ngày chiếu sáng,

mức độ hoạt động NRA và nitrate trong lá V locusta cao hơn (khoảng 25% và 40%) so với 60 ngày sau xử lý (Wojciechowska et al., 2016) [159]

- Đèn LED ánh sáng xanh lá cây: Nếu như bước sóng đèn LED màu đỏ và

xanh lam được đặc trưng bởi hiệu quả photon cao nhất thì các bước sóng đèn LED khác như xanh lá cây, đỏ xa và UV-A có hiệu quả photon thấp hơn đáng kể (Park & Runkle, 2018) [113] Ánh sáng xanh lá cây cũng được biết đến là kích thích quang

hợp sâu hơn trong tán cây (Bantis et al., 2018) [30], cải thiện khả năng quang hợp

và sinh trưởng của cây như kéo dài chiều cao thân, tạo chồi nách, tạo những thay

đổi về hình thái, giải phẫu lá (Bantis et al , 2016; Bian et al , 2018) [29], [31] tăng

cường hoạt động chống oxi hóa, hàm lượng các chất chống oxi hóa (Bian et al , 2018; De Keyser et al., 2019) [31], [46] và các hợp chất thơm trong lá (Carvalho et

al., 2016) [36] Ánh sáng xanh lá cây cũng góp phần thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Novičkovas et al (2010) đã phát hiện ra rằng đèn LED xanh lá cây (505 và 530 nm) kết hợp với đèn HPS (high pressure sodium) giúp cây dưa chuột tăng trưởng tốt hơn Tuy nhiên, chỉ riêng ánh sáng xanh lá cây không đủ

để hỗ trợ sự phát triển của thực vật bởi vì nó được cây hấp thụ ít nhất, nhưng khi sử dụng kết hợp với ánh sáng đỏ, xanh lam và đỏ xa chắc chắn sẽ cho thấy một số phản ứng sinh lý quan trọng Các thí nghiệm với bước sóng khác nhau của đèn LED xanh lam, đỏ và xanh lá cây cho phép xác định bước sóng tối ưu đặc hiệu đối với sự phát triển của cây trồng Các kết quả nghiên cứu quang phổ ánh sáng có thể được sử dụng để thiết kế một quang phổ đáp ứng việc sử dụng ánh sáng một cách có hiệu

quả ở các loài thực vật cụ thể (Novičkovas et al., 2010) [104]

- Đèn LED ánh sáng vàng, cam, UV, đỏ xa: Bên cạnh những nghiên cứu kể

trên, ảnh hưởng của ánh sáng màu vàng và màu cam ít được nghiên cứu Ánh sáng đèn LED màu vàng bổ sung làm tăng hàm lượng caroten trong cây rau diếp, trong

khi ánh sáng màu cam bổ sung làm tăng hàm lượng các hợp chất phenol (Brazaitytė

et al., 2015) [34] Một lượng nhỏ ánh sáng UV-A cũng có lợi cho thực vật bởi vì nó kích thích tăng trưởng và tích lũy anthocyanin và tạo màu sắc ở lá (Wargent, 2016; Neugart & Schreiner, 2018) [101], [158]

Ánh sáng đèn LED màu xanh lam 455nm, màu đỏ 627 và 660nm và đỏ xa 735nm được bổ sung ánh sáng đèn LED UV-A 380nm, xanh lá cây 510nm, màu vàng 595nm hoặc màu cam 622nm ở cùng một cường độ 300 µmol/m2/s được sử dụng để nghiên cứu trên cây rau diếp Kết quả cho thấy, ánh sáng bổ sung không ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rau diếp ở cùng một cường độ; tuy nhiên có tác động rõ rệt đến hàm lượng nitrit, axit amin, axit hữu cơ và hàm lượng đường hòa tan Ánh sáng màu cam, xanh lá cây và UV-A có tác dụng khác biệt đối với quá trình chuyển hóa ở rau diếp lá đỏ, lá xanh và tương tác với giá trị dinh dưỡng, mức

an toàn trong sản xuất rau diếp Trong đó, ánh sáng xanh có tác động tích cực đến

hàm lượng các chất chuyển hóa sơ cấp trong rau diếp lá đỏ và lá xanh (Viršilė et al.,

2019) [153]

Mặt khác theo định nghĩa, bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) bao gồm bước sóng từ 400 đến 700 nm và do đó, ánh sáng hồng ngoại (FR, 700-800 nm) được loại trừ khi đo và đánh giá mật độ dòng lượng tử quang hợp (PPFD-photosynthetic photon flux density) Tuy nhiên, tỉ lệ ánh sáng đỏ/đỏ xa điều chỉnh phản ứng hình thái và phát triển của cây qua trung gian là các phytochrome, thúc đẩy quá trình hấp thụ bức xạ và quyết định sự sống còn của các cây ưa bóng Các tác giả cho rằng, FR trong quang phổ bức xạ sẽ ít có ảnh hưởng đến quá trình quang hợp nhưng sẽ làm tăng khả năng hấp thụ bức xạ và sự phát triển của cây trồng, đẩy nhanh sự ra hoa của các loài cây ưa sáng Ánh sáng FR làm tăng sự phát triển của cây trồng gián tiếp thông qua việc mở rộng phiến lá và trực tiếp thông qua việc tăng cường mạng lưới đồng hóa của toàn cây và có thể thúc đẩy sự hình thành hoa ở một số ít loài (Park & Runkle, 2017) [112] Điều này cũng tương tự với những nghiên cứu đã chỉ ra trước đó khi bổ sung ánh sáng màu đỏ (730 nm) với ánh sáng màu đỏ (640 nm) làm tăng

chiều dài lá và tổng sinh khối của rau diếp lá đỏ (Lactua sativa), trong khi khả năng chống oxi hoá và anthocyanin lại giảm (Stutte et al., 2009) [141]

* Nghiên cứu về cường độ ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng, năng suất và chất lượng cây trồng:

Không chỉ phổ ánh sáng mà cường độ ánh sáng, chu kỳ chiếu sáng đều có tác động đến sinh trưởng năng suất và chất lượng của cây trồng Cây rau diếp thủy canh

(Lactuca sativa L cv Frill ice) được trồng ở 2 mức cường độ ánh sáng (200 và 250

μmol/m2/s) và hai chu kỳ chiếu sáng (14 và 16 giờ/ngày) dưới ba phổ ánh sáng đèn LED với tỉ lệ đỏ/xanh (tỉ lệ R: B) là 1:2; 2:2 và đèn huỳnh quang có tỉ lệ R: B là 1:8 (đối chứng) Kết quả cho thấy, khối lượng tươi của lá và rễ của rau diếp cao hơn ở những cây được trồng ở mức 200 μmol/m2/s với chu kỳ chiếu sáng 16 giờ/ngày bất

kể phổ ánh sáng nào ở giai đoạn cây con Nói chung, hàm lượng vitamin C của rau diếp trồng dưới đèn LED với tỉ lệ R/B=1/2 là thấp và không có sự khác biệt đáng kể nào về hàm lượng nitrate giữa ba nguồn chiếu sáng Xét về năng suất, chất lượng,

hiệu quả chiếu sáng và mức tiêu thụ điện giữa các nguồn chiếu sáng, cường độ 200 μmol/m2/s với chu kỳ chiếu sáng 16 giờ/ngày được cung cấp bởi đèn LED với tỉ lệ

R/B=2/2 phù hợp với sản xuất cây rau diếp thủy canh (Yan et al., 2019) [164]

Nghiên cứu khác trên cây cải dầu (Brassica napus L.) dưới ánh sáng đèn LED

đỏ (630 và 660nm) có bổ sung ánh sáng xanh (445nm) ở các cường đường độ khác nhau từ 200µmol/m2s, 300µmol/m2s và 400µmol/m2s đã chỉ ra có ảnh hưởng khác nhau đến sinh trưởng (chiều dài rễ, chiều cao cây, diện tích lá, khối lượng khô) cũng như các yếu tố liên quan trực tiếp đến quá trình quang hợp (độ dẫn khí khổng, hàm lượng CO2 trong các khoảng gian bào, cường độ thoát hơi nước) Cường độ ánh sáng 300µmol/m2s được cho là có hiệu quả nhất cho sinh trưởng của cây cải dầu

trong các cường độ được nghiên cứu (Yao et al., 2017) [165]

Ngoài ra, để điều chỉnh theo chế độ ánh sáng khác nhau của môi trường, thực vật đã phát triển nhiều cơ chế, bao gồm cả thay đổi hình thái và sinh lý ở các mức độ khác nhau của lá Mức độ ánh sáng thấp có thể dẫn đến tăng diện tích lá đặc trưng (specific leaf area-SLA) và chiều cao cây Những sự thích ứng này nhằm tối

đa hóa khả năng hấp thụ ánh sáng sẵn có, đáp ứng nhu cầu quang hợp (Macedo et

al., 2011) [91] Trong khi, cường độ bức xạ cao có liên quan đến nhiều đặc tính hình thái sinh lý phù hợp với điều kiện môi trường, như giảm diện diện tích lá đặc trưng (SLA) để bảo vệ cây trồng khỏi bị bức xạ cao; tăng độ dày của lá do tăng số lượng các lớp tế bào hoặc lớp tế bào mô giậu và mô xốp phát triển mạnh Sự biến đổi này giúp ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ những tổn thương do sự chiếu sáng quá mức

bởi năng lượng ánh sáng, đảm bảo quá trình quang hợp diễn ra thuận lợi (Fan et al.,

2013) [51]

Những kết quả trên cho thấy, cây có thể hoàn thành chu trình sống của nó dưới ánh sáng đèn LED màu đỏ, màu xanh riêng lẻ, nhưng cây sinh trưởng tốt hơn khi sử dụng bổ sung ánh sáng đèn LED đỏ với một tỉ lệ nhất định ánh sáng màu xanh lam

Đa số các phổ ánh sáng được nghiên cứu như xanh lam, đỏ, vàng, cam, xanh lá cây,

đỏ xa, UV-A… đều có tác động đến cây trồng Đồng thời, sự đáp ứng của cây trồng (sự sinh trưởng, hàm lượng các chất dinh dưỡng, các chất chuyển hóa thứ cấp) đối

với phổ ánh sáng của các loài khác nhau là khác nhau Bên cạnh đó, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định đến năng suất và chất lượng cây trồng Trong đó, các cây trồng khác nhau sinh trưởng

tối ưu ở một ngưỡng cường độ thích hợp

1.2.3.3 Những nghiên cứu về ánh sáng đèn LED đối với điều khiển ra hoa ở cây trồng

Những nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng, sử dụng quang gián đoạn (night interruption - NI) để điều khiển ra hoa của cây trồng có hiệu quả tích cực, như nghiên cứu của Curry and Ervin (2010) với các loài Kalanchoe Kết quả cho thấy các loài Kalanchoe ra hoa với chu kì chiếu sáng trong ngày từ 9 đến 12

giờ, số lượng hoa giảm khi tăng thời gian chiếu sáng trong ngày từ 12 đến 14 giờ và các loài này đã không hình thành hoa khi sinh trưởng trong điều kiện chu

kỳ chiếu sáng 15 giờ (Currey & Erwin, 2010) [45]

Nghiên cứu của Shin et al (2010) cũng cho thấy trên cây hoa tai thỏ ('Sierra

Scarlet' cyclamens) được trồng dưới quang gián đoạn (NI) (4h) bởi đèn LED đỏ, đỏ

xa, xanh lam, đỏ kết hợp với đỏ xa và đèn huỳnh quang trong nhà kính Trong các thí nghiệm, nhiệt độ ban đêm trung bình được duy trì ở mức trên 16oC Quang chu

kỳ được cài đặt hoàn toàn tự động (9/15h, ngày/đêm) Quang gián đoạn được cung cấp bởi đèn có cường độ bức xạ quang hợp như nhau là 4 ± 1 µmol/m2/s Quang gián đoạn với tất cả các nguồn ánh sáng thúc đẩy sự hình thành hoa và ra hoa so với điều kiện ngắn ngày (SD) không được xử lý NI với đèn LED xanh lam + đỏ phát huy hiệu quả nhất trong số tất cả các nguồn sáng LED được nghiên cứu Chiều dài cuống lá dài hơn khi cây bị xử lý NI với đèn LED màu đỏ xa, chứng tỏ NI với đèn LED màu đỏ xa đã làm giảm sự phát triển sinh dưỡng so với các nguồn ánh sáng

khác (Shin et al., 2010) [135]

Nghiên cứu khác của Park et al (2017) cũng cho thấy Ảnh hưởng của các phổ ánh sáng khác nhau trong quá trình quang gián đoạn đối với hình thái học, ra hoa

và gen phiên mã các cảm thụ quang ở cây phong lữ Pelargonium × hortorum L.H

Bailey ‘Ringo 2000 Violet’ (là cây trung tính) Cây được trồng trong buồng sinh

trưởng với cường độ ánh sáng không đổi 180 µmol/m2/s Ánh sáng được cung cấp bởi đèn LED trắng (W) để tạo ra ngày dài (LD, 16h sáng/8h tối), ngày ngắn (SD, 10h sáng/14h tối), hoặc SD với 4h quang gián đoạn vào ban đêm Việc thực hiện quang gián đoạn (NI) cũng được thực hiện bởi các đèn LED màu xanh lá cây (NI-G), xanh lam (NI-B), đỏ (NI-R), màu đỏ xa (NI-Fr) hoặc trắng (NI-W) với cường độ giảm đáng kể là 10 µmol/m2/s (chỉ 5,5% cường độ của nguồn sáng chính) Chiều cao cây lớn nhất ở công thức NI-Fr Phần trăm nở hoa không bị ảnh hưởng bởi phổ ánh sáng trong NI và tất cả các cây đều nở hoa ở mọi công thức xử lý Trong các công thức xử lý NI, ngày xuất hiện nụ tăng ở công thức NI-Fr Tất cả các gen mã hóa photoreceptors ngoại trừ phyB và FTL được biểu hiện cao trong điều kiện LD bình thường Khi xử lý NI với những phổ ánh sáng khác nhau, những gen mã hóa photoreceptors này được biểu hiện ở mức cao hơn, ngoại trừ ở công thức NI-B so với SD Những kết quả này cho thấy rằng sự phát sinh hình thái, ra hoa và sự biểu hiện của gen mã hóa photoreceptors bị ảnh hưởng bởi phổ ánh sáng khi xử lý NI

(Park et al., 2017) [114]

Bên cạnh đó, Park et al (2016) cũng đã nghiên cứu về ảnh hưởng của nguồn ánh sáng nhân tạo với phổ ánh sáng khác nhau đến sinh trưởng và đặc điểm ra hoa

của cây dạ yến thảo “Madness Rose” Các đèn được sử dụng gồm: đèn huỳnh

quang dạng ống và dạng bóng (FL ống và FL bóng đèn), đèn LED dạng ống màu trắng (LED ống), đèn halogen (HL), đèn halogen kim loại (MH) và đèn natri cao áp (HPS) trong 10 tuần Nhiệt độ, quang chu kỳ và mật độ photon quang hợp (PPFD) trong phytotron lần lượt là 22 ± 2oC, 16h và 25 ± 2 µmol/m2/s Các nguồn ánh sáng kết hợp với HL thúc đẩy sự kéo dài của thân, chiều cao của cây và chiều dài lóng giảm xuống khi tỉ lệ màu đỏ : đỏ xa (R: FR) tăng lên Ngày nở hoa (từ dài nhất đến ngắn nhất) xảy ra như sau: FL ống + HL> MH> HPS = FL ống + FL bóng đèn > FL ống + LED ống> LED ống> FL ống Kết quả đã cho thấy tỉ lệ R: FR của các nguồn ánh sáng giảm đã thúc đẩy ra hoa Chỉ có 20% cây được trồng dưới FL dạng ống ra

hoa, trong khi dưới tất cả các công thức xử lý khác 100% cây trồng nở hoa (Park et

al., 2016) [111]