Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

Từ việc nghiên cứu, phân tích qui trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp trồng trên giá thể không sử dụng đất, luận án đã đề cập bài toán thiết kế và chế tạo

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học

1 PGS.TS Phan xuân minh

2 PGS.TS Hồ hữu an

hà nội - 2009

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học

1 PGS.TS Phan xuân minh

2 PGS.TS Hồ hữu an

hà nội - 2009

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Đất nước ta đang ở giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá Trong công cuộc này, tự động hoá đóng một vai trò then chốt Có thể nói điều khiển

tự động là một lĩnh vực kỹ thuật không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, nông nghiệp tiên tiến Hiện nay, nhu cầu đổi mới công nghệ

tự động hoá cho các dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao năng lực cạnh tranh trong các

cơ sở sản xuất công nghiệp và nông nghiệp là rất lớn Thực tế gần như toàn bộ thiết bị điều khiển đang sử dụng trong các dây chuyền sản xuất đều là thiết bị nhập ngoại Trong điều kiện hiện nay, việc tận dụng kỹ thuật, công nghệ và thiết bị tiên tiến của nước ngoài để nhanh chóng hiện đại hoá nền sản xuất nông nghiệp trong nước là hết sức cần thiết Thiết bị nhập ngoại có ưu điểm là chất lượng tốt, hoạt động tin cậy, ổn định tuy nhiên giá thành cao Do không

đủ chi phí đầu tư nên một số cơ sở sản xuất nông nghiệp phải chấp nhận đổi mới công nghệ bằng cách nhập những thiết bị lạc hậu đã qua sử dụng Mặt khác cũng phải nhìn nhận rằng chiến lược của nhiều nước chỉ chuyển giao cho các nước khác những công nghệ đã lỗi thời Vì vậy, về lâu dài để nền sản xuất nông nghiệp trong nước phát triển bền vững và có thể theo kịp các nước khác trong khu vực, chúng ta phải nghiên cứu cơ bản để chủ động nắm được

kỹ thuật, tự chế tạo được các dây chuyền sản xuất tự động nói chung và các

bộ điều khiển nói riêng hiện đại, chất lượng tốt, giá thành rẻ phục vụ nền sản xuất Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu về tự động hoá trong nước

Từ việc nghiên cứu, phân tích qui trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp trồng trên giá thể không sử dụng đất, luận

án đã đề cập bài toán thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa phục vụ quy trình công nghệ trồng rau cho mô đun trồng trọt 200 m2 bằng thiết bị hiện có

ở Việt Nam Với việc thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị trong nước sẽ đảm bảo chí phí thấp hơn nhiều lần so với thiết bị nhập ngoại, điều này rất quan trọng

vì mức thu nhập của người nông dân còn rất thấp Mặt khác việc chế tạo tại Việt Nam thì chúng ta làm chủ được công nghệ chế tạo thiết bị điều khiển, hệ thống tự động hóa để có thể phục vụ công nghệ trồng rau sạch đại trà ở Việt Nam

Với phương pháp trồng rau sạch trên các giá thể thì việc ứng dụng tự động hoá mới đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ sản xuất rau sạch Nhờ sự hỗ trợ của hệ thống tự động hóa, các nhà trồng có đầy đủ khả năng đảm bảo qui trình sản xuất và kiểm soát được đầy đủ các thông số của quá trình sản xuất rau sạch Hiện nay, việc trồng rau sạch trong nhà lưới bằng phương pháp không dùng đất đang được phát triển mạnh ở nước ta Tuy nhiên, các hệ thống đáp ứng cho công nghệ trồng rau sạch đều nhập ngoại giá thành rất cao nên chỉ có một số cơ sở sản xuất lớn nhờ sự đầu tư của nhà nước mới hoạt động được

Những phân tích trên cho thấy nghiên cứu quy trình công nghệ để nắm vững đối tượng cần điều khiển để từ đó xây dựng các bài toán điều khiển, vận hành và giám sát cho hệ thống tự động hoá phục vụ sản xuất rau sạch là vấn

đề cần giải quyết đầu tiên Thực hiện phân tích, lựa chọn lời giải, lựa chọn giải pháp kỹ thuật để từ đó thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa phục vụ qui trình sản xuất rau sạch một vấn đề nghiên cứu vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính thực tiễn cấp bách Đó chính là động lực để tác giả thực hiện luận án này

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa quy trình sản xuất rau sạch trên giá thể cho mô đun nhà trồng rau có diện tích mặt bằng 200 m2 Một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất rau

sạch chế tạo trên công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) là sản

phẩm trông đợi của luận án

Để thực hiện mục đích đó, luận án thực hiện nghiên cứu, phân tích về quy trình trồng rau sạch trong nhà trồng rau có mái che bằng phương pháp không dùng đất từ đó đề xuất bài toán tự động hóa phục vụ qui trình công nghệ trồng rau sạch Các nhiệm vụ chính cần được thực hiện:

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị quá trình phục vụ công nghệ trồng rau sạch như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống bình trộn, hệ thống bơm, hệ thống đóng mở mái che, hệ thống quạt gió sử dụng trong nhà lưới cho mái che mô đun 200 m2

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hoá phục vụ công nghệ sản xuất rau sạch trên cơ sở vi điều khiển công nghệ PSoC

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bằng bàn phím

và màn hình tinh thể lỏng hoặc bằng máy tính cá nhân PC

- Thiết kế chế tạo các sản phẩm tự động hoá phục vụ công nghệ sản xuất rau sạch theo phương pháp mô đun hoá để dễ dàng cho việc phát triển sản xuất kiểu công nghiệp theo qui mô từ nhỏ đến lớn phù hợp với nền sản xuất của Việt Nam hiện nay Mặt khác, tạo ra tính linh hoạt của sản phẩm: dễ dàng lắp đặt, dễ dàng thay thế khi có hỏng hóc

- Các sản phẩm được nghiên cứu thiết kế và chế tạo nhằm mục đích thay thế các sản phẩm nhập ngoại, do vậy tiêu chí của sản phẩm là giá thành phải rẻ hơn rất nhiều so với sản phẩm nhập ngoại và chất lượng phải đảm bảo tương đương hoặc tốt hơn

- Hệ thống phần mềm được thiết kế và chế tạo theo phương pháp mô đun hoá để tạo khả năng mở rộng và nâng cấp khi cần thiết

Toàn bộ hệ thống sản phẩm của đề tài được chạy thử trong nhà trồng rau của trường Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, để kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của loại cây rau sạch được trồng trong nhà trồng rau có mái che bằng phương pháp không dùng đất, qui trình phát triển của một số loại cây rau và qui trình công nghệ chăm sóc các loại cây rau này (Những đề xuất của các nhà nông học) Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch trên giá thể

Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật điều khiển, điện, điện tử và kỹ thuật lập trình Đó là nền tảng để thiết kế hệ thống chăm sóc rau sạch, hệ thống điều khiển và tự động hóa quá trình trồng rau sạch trong nhà trồng rau

có mái che

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo

hệ thống tự động hóa qui trình công nghệ trồng rau sạch không sử dụng đất trong nhà trồng rau có mái che Nghiên cứu các kỹ thuật và công nghệ tiên tiến nhất phục vụ cho việc chế tạo sản phẩm

Trên cơ sở về qui trình công nghệ trồng rau sạch đề xuất các phương pháp thiết kế hệ thống tự động hoá vào sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất Việc thiết kế và chế tạo hệ thống

tự động hoá đảm bảo phù hợp với điều kiện ở nước ta hiện nay Hệ thống tự động hoá sau khi đã thiết kế được chạy kiểm định kỹ càng trong phòng thí nghiệm, thông số các số liệu nhận được để kiểm chứng hệ thống Phần mềm điều khiển quá trình được thiết kế đơn giản, thuận tiện cho người sử dụng,

thông qua đó giúp cho người trồng rau theo dõi, giám sát và lưu dữ các thông

số môi trường ảnh hưởng đến quá trình trồng rau Hệ thống được tiến hành lắp đặt trong mô hình sản xuất nhỏ với nhà trồng có sẵn, với kết quả thu được bước đầu đã đánh giá độ đảm bảo đối với quy trình công nghệ đặt ra

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Về ý nghĩa khoa học: Luận án là một trong những công trình đầu tiên

nghiên cứu về việc ứng dụng tự động hoá vào sản xuất rau sạch trong nhà lưới

có mái che bằng phương pháp không dùng đất tại Việt Nam Sản phẩm của luận án góp phần thúc đẩy công cuộc tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp Luận án đã xây dựng thành công qui trình thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa bằng vi điều khiển công nghệ PSoC, một trong nhũng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay Phần mềm điều khiển quá trình sản xuất rau sạch được trình bày trong luận án thuận tiện cho người sử dụng với hai chế độ làm việc: chế

độ làm việc sử dụng các nút ấn và chế độ làm việc trên giao diện máy tính

PC Mặt khác các chức năng có trong phần mềm như hệ thống lưu trữ dữ liệu,

hệ thống quan sát các thông số vào, ra từ đó giúp cho nhà trồng rau kiểm soát được các thông số chính ảnh hưởng đến quá trình trồng rau sạch Sản phẩm phần mềm của luận án cho thấy khả năng ứng dụng của công nghệ thông tin trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp Đó cũng là một minh chứng về khả năng chế tạo các sản phẩm công nghệ cao trong nước phục vụ sản xuất nông nghiệp

Ý nghĩa thực tiễn và phạm vi ứng dụng: Luận án nhằm đáp ứng nhu

cầu thực tế trong thiết kế hệ thống tự động hoá trong quá trình sản xuất rau sạch Từ việc đòi hỏi của quy trình công nghệ trồng rau sạch trong nhà lưới có mái che với hệ thống tự động hoá mới đáp ứng được, do đó kết quả luận án có

ý nghĩa ứng dụng vào thực tế Với kết quả thử nghiệm hệ thống thành công trong phòng thí nghiệm, hệ thống được lắp đặt và tiến hành trồng thử nghiệm

trong mô hình nhà trồng rau đơn giản, bước đầu cho kết quả tốt Sản phẩm của luận án là tiền đề cho việc thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa trồng rau sạch theo kiểu mô đun hóa, một công nghệ chế tạo thiết bị hiện đại ngày nay

Mô đun hóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, mở rộng và khả năng thay thế nhanh gọn, linh hoạt

5 Kết cấu của luận án

Luận án gồm 4 chương và 2 phụ lục, nội dung chính của luận án như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất rau sạch

Chương 2: Nghiên cứu và phân tích qui trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất

Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch bằng phương pháp không dùng đất

Chương 4: Triển khai, lắp đặt hệ thống tự động hoá

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RAU

SẠCH

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Rau quả đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế và sinh hoạt của người Việt Nam Trong gần ba mươi năm qua, nhờ chính sách đổi mới, nông nghiệp Việt Nam đã phát triển vượt bậc về nhiều mặt Sản xuất rau quả đã tăng lên khoảng 9.235.000 tấn trên diện tích trồng trọt 624.000 ha với trị giá khoảng 144.000 tỷ đồng (tương đương với 900 triệu USD) [15] Lượng

sử dụng rau của người Việt Nam cũng đã được cải thiện, đạt trung bình khoảng 111,2 kg/người/năm (N Q Vọng, 2007), cao hơn hẳn so với lượng sử dụng rau trung bình của khu vực ASEAN (57kg/người/năm) và đạt được tiêu chuẩn của Tổ chức Lương nông Quốc tế FAO (120 kg/người/năm) [51] Đây

là một thành tựu đáng kể trong lĩnh vực sản xuất rau quả, vì sản xuất này đã chiếm 9% GDP của nông nghiệp Việt Nam trong khi diện tích trồng trọt lại chiếm có 6% trên toàn bộ diện tích canh tác của Quốc gia

Tuy nhiên, song song với tăng trưởng trong sản xuất rau quả, nông nghiệp Việt Nam lại đồng thời phải đối đầu với tình trạng tốc độ thu hẹp đất nhanh do tiến trình công nghiệp hoá và đô thị hoá đang diễn ra hàng ngày Trong 5 năm vừa qua (2001-2005), quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá đã thu hồi mất 366.440 ha đất, chiếm 3,89% đất nông nghiệp đang sử dụng Riêng chỉ trong 2 năm từ 2005 đến 2007, đã có 34.330 ha đất trồng lúa bị mất Đất bị thu hồi phần lớn là đất tốt, phì nhiêu, thuộc loại “đất đẳng điền”, nằm ở

2 vựa lúa của đất nước: đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long (Nguyễn Lân Dũng) Tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, diện tích đất nông nghiệp bị mất trung bình khoảng 1.000 ha (Hà Nội) và khoảng 1.200 ha (thành phố Hồ Chí Minh) mỗi năm Phần lớn đất bị mất là

đất trồng rau ở các vùng ven đô như Thanh Trì, Hoàng Mai, Đông Anh ở Hà Nội và Hóc Môn, Củ Chi ở thành phố Hồ Chí Minh Việc phát triển công nghiệp và đô thị hoá này đã dẫn đến tình trạng đất trồng rau, hoa càng lúc càng thu nhỏ, môi trường bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng, hủy hoại môi sinh, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên Đã có báo cáo về đất, nước ô nhiễm của rất nhiều nơi, đặc biệt vùng trồng rau thơm Thanh Trì, Hà Nội, do việc đổ thải bừa bãi các chất kim loại nặng của các công trường hoá học

Bên cạnh việc mất đất sản xuất vì công nghiệp hoá, đô thị hoá và môi trường ô nhiễm, an toàn vệ sinh trong sản xuất rau quả cũng là yếu tố nổi cộm của nông nghiệp Việt Nam hiện nay Gần đây, số vụ ngộ độc thực phẩm đang tăng vọt và số lượng người phải nhập viện để cấp cứu ngày càng nhiều Theo thống kê của Bộ Y tế (2006), trong vòng 5 năm (2001-2005) đã có gần 23.000 người ở Việt Nam bị ngộ độc thực phẩm Cụ thể vào năm 2005, toàn quốc đã xảy ra 133 vụ ngộ độc thực phẩm với gần 4.000 nạn nhân Riêng thành phố

Hồ Chí Minh, từ năm 2005 đến nay, xảy ra trên 40 vụ với khoảng 3.000 người

bị ngộ độc, tăng gần gấp rưỡi so với cùng thời gian trước đó Nguyên nhân được xác định là do thực phẩm bị ô nhiễm: rau quả có vi sinh vật gây bệnh, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và kim loại nặng vượt mức cho phép

Trong bối cảnh khó khăn về đất đai, môi trường và an toàn vệ sinh thực phẩm như vậy, nhu cầu về rau quả sạch của Việt Nam vẫn càng lúc càng cao, đưa đến áp lực tăng năng suất và hệ số quay vòng sử dụng đất càng lớn, đặc biệt vùng ven đô Tuy nhiên, vì nhu cầu cấp bách nhằm đảm bảo sức khoẻ cho con người và sự an toàn của môi trường sống, Việt Nam cần phải sản xuất rau sạch và an toàn, không có dư lượng thuốc bảo vệ thực vật Các lượng nitrat (NO3), hàm lượng kim loại nặng (Zn, Hg, Cu…) và vi sinh vật gây bệnh

cũng phải thấp hơn ngưỡng cho phép (Codex Maximum Residue Limits

(MRL))

Từ những yếu tố được phân tích ở trên, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp mà thế giới đang ứng dụng cần phải được tiến hành thử nghiệm nhằm tìm kiếm giải pháp khả thi cho sự phát triển bền vững của nông nghiệp Việt Nam Giải pháp công nghệ trồng rau

sạch không dùng đất (soilless) trong nhà trồng rau có mái che chính là một

trong những giải pháp kỹ thuật mũi nhọn đang được nghiên cứu phát triển và đưa vào ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là ở Hà Lan, Mỹ và Israen

Việc sản xuất rau sạch phải đạt được các tiêu chuẩn nhất định Theo PGS H H An, Trường Đại học Nông nghiệp Hà nội, cho ta thấy rau sạch cần phải đảm bảo 4 tiêu chuẩn quan trọng nhất: Hàm lượng các kim loại nặng,

NO3, các hoá chất bảo vệ thực vật tích luỹ trong rau bằng hoặc dưới mức cho phép theo quy định của FAO, WHO và của nhà nước Việt Nam, các vi sinh vật có hại không tồn tại trong rau Nếu sản phẩm rau quả không đạt 1 trong 4 tiêu chuẩn trên thì rau quả đó không đảm bảo an toàn

Theo tác giả T T Cúc, giáo trình Cây rau (2000), để bảo đảm quyền lợi của người tiêu dùng và an toàn môi sinh, các nhà vườn cần thực hiện đầy đủ qui định kỹ thuật sản xuất rau sạch theo tiêu chuẩn: “Cây rau không bị héo úa, thối rữa, hình thái bề ngoài tươi ngon, hấp dẫn; Dư lượng NO3 theo tiêu chuẩn qui định của Quốc tế; Dư lượng kim loại nặng không vượt quá tiêu chuẩn qui định của Quốc tế; Dư lượng thuộc bảo vệ thực vật theo qui định của ngành bảo vệ thực vật; Hạn chế tối đa vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật và đảm bảo giá trị dinh dưỡng của sản phẩm”

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRỒNG RAU SẠCH

Sản xuất rau sạch ngoài đồng ruộng: Đây là hình thức sản xuất rộng

rãi và đáp ứng được nhu cầu rau sạch của đông đảo quần chúng Phương pháp sản xuất này dựa trên kỹ thuật canh tác cổ truyền nhưng đảm bảo đúng

nguyên tắc áp dụng “quy trình thực hành sản xuất nông nghiệp tốt” VietGAP

(Good Agricultural Practice) [73], bao gồm cả chương trình quản lý dịch hại tổng hợp IPM (Integrated Pest Managerment) và các biện pháp sinh học Đây

là một phương pháp sản xuất rau quả sạch nên cần tuyên truyền rộng rãi và hướng dẫn các nhà nông trồng trọt theo kỹ thuật này

Sản xuất rau sạch không dùng đất trong nhà trồng rau có mái che:

Công nghệ trồng rau sạch không dùng đất là một trong những công nghệ tiên tiến đã và đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Công nghệ này cũng đang được nghiên cứu và áp dụng ở Việt Nam Ưu điểm của công nghệ này là cho phép chuyển hướng từ canh tác nông nghiệp sang sản xuất công nghiệp nên năng suất, chất lượng, hiệu quả cao và đảm bảo an toàn Trong công nghệ này, rau sạch được trồng trong nước hoặc trồng trên giá thể

- Trồng rau sạch trong dung dịch: là phương pháp trồng cây trực tiếp

vào dung dịch dinh dưỡng theo mô hình kiểu hồi lưu NFT (Nutrient Film

Technique)

- Trồng rau sạch trên các giá thể: là phương pháp trồng cây trên giá thể với hệ thống tưới dung dịch nhỏ giọt tự động thời gian và lưu lượng để cây hấp thụ trực tiếp một cách đồng đều và tiết kiệm, thường áp dụng theo kiểu

không hồi lưu RtW (Run to Waste)

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOẠI CẢNH ĐẾN SẢN XUẤT RAU SẠCH

Người trồng rau muốn thành công trong sản xuất thì điều quan trọng đầu tiên là phải hiểu được một cách sâu sắc và toàn diện các yếu tố môi trường, yêu cầu và khả năng thích nghi của cây rau đối với điều kiện ngoại cảnh trong quá trình sinh trưởng và phát triển Một số yếu tố về môi trường như địa hình, khí hậu và thời tiết là những yếu tố cơ bản gây ra khó khăn, trở ngại không nhỏ trong quá trình sản xuất rau và cũng là những vấn đề vượt quá

khả năng chế ngự của con người Sự thay đổi đa dạng, phức tạp của địa hình, điều kiện có thể được xem như là yếu tố đầu tiên khó khống chế hoặc không phù hợp cho sản xuất rau Khí hậu được hiểu như là sự hợp thành bởi tất cả những yếu tố thời tiết diễn ra ngày này qua ngày khác Thời tiết là sự thay đổi, diễn biến hàng ngày của những điều kiện khí hậu Thành phần của khí hậu như mưa, gió… là những trở ngại lớn cho loài người trong quá trình làm thay đổi và cải tiện môi trường Sự ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, khí hậu và

sự ảnh hưởng qua lại giữa chúng được chi tiết trong tài liệu tham khảo[16]

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Theo [16], [21], [23] trong sản xuất rau, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến khả năng sinh trưởng và phát triển của chúng Ở nhiệt độ thấp khoảng 00C sẽ làm một số cây chết rét, ở nhiệt độ cao khoảng 400C sẽ làm cho nhiều cây bị héo khô Đối với nhiều loại rau có thể tồn tại trong thời gian dài

ở nhiệt độ thấp khoảng 150C, thậm chí 100C Hiệu suất quang hợp của hầu hết các loại rau ngừng ở 300C Nhiều cây rau thực hiện chức năng quang hợp có hiệu quả từ 120C ÷ 240C Đối với một số loài khác thì quang hợp có hiệu quả

ở nhiệt độ 180C ÷ 210C hoặc là 240C

Tốc độ sinh trưởng cây rau phụ thuộc vào sự cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng, đảm bảo độ ẩm và điều kiện nhiệt độ thích hợp Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn, khí khổng sẽ đóng lại ảnh hưởng tới quá trình trao đổi khí

CO2, quá trình quang hợp v.v dẫn đến cây sinh trưởng kém Nếu tình trạng

đó kéo dài cây có thể bị chết Nhiệt độ thay đổi theo vĩ độ địa lý, theo mùa, theo ngày và giữa ngày - đêm Yêu cầu của cây rau đối với nhiệt độ phụ thuộc vào nguồn gốc, giống, kỹ thuật trồng trọt và sự thuần hóa bồi dưỡng của con người, v.v Đối với mỗi loại rau đều yêu cầu nhiệt độ thích hợp để sinh trưởng, phát triển Khi vượt quá giới hạn nhiệt độ thích hợp cây rau sinh

trưởng phát triển kém, làm giảm năng suất và chất lượng Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp sẽ làm cây ngừng sinh trưởng và chết

Thí dụ: Nhiệt độ thích hợp cho cây cà chua là 220 C ÷ 240C, nhiệt độ cao nhất cho phép là 350C, nhiệt độ thấp nhất cho phép là 100C Có nghĩa là khi trồng cà chua phải đảm bảo nhiệt độ nhà trồng rau nằm trong khoảng 100C

÷ 350C Trên cùng một cây rau nhưng ở thời kỳ khác nhau, yêu cầu đối với nhiệt độ cũng thay đổi

Thí dụ: Cây khoai tây (T T Cúc, 2000)

Nẩy mầm tốt ở nhiệt độ: 180C ÷ 200C Sinh trưởng thân lá : 200C ÷ 220C Hình thành thân củ : 160C ÷ 180C

Ảnh hưởng của ánh sáng

Ánh sáng là yếu tố rất cần thiết đối với sản xuất rau vì ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp Chúng ta đã biết 90% ÷ 95% năng suất cây trồng là do quang hợp Không có ánh sáng, cây xanh không thể tiến hành quang hợp Vì ánh sáng thay đổi sẽ làm diễn biến các quá trình quan trọng như: quang tổng hợp, sự nảy mầm của hạt, sự lớn lên của lá, sự thoát hơi nước và sự ra hoa.v.v…Ánh sáng đầy đủ sẽ làm tăng bề dày của mô, tăng hàm lượng diệp lục, thúc đẩy quá trình quang hợp Trái lại, trong điều kiện thiếu ánh sáng cây sinh trưởng khó khăn, hàm lượng diệp lục giảm, thịt lá mềm và xốp, gian bào chứa đầy nước, do đó làm giảm khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi

Chính vì sự ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng nêu trên cần ứng dụng

tự động hoá để điều khiển các thông số này đảm bảo điều kiện thời tiết của cây rau

Ảnh hưởng của nước

Nước là nguyên nhân hạn chế lớn nhất đến năng suất và chất lượng rau hơn bất kỳ một yếu tố nào khác Nước đóng vai trò quan trong trong đới sống cây rau, hàm lượng nước trong rau chiếm từ 75% ÷ 95% Theo I.B.Libner Nonneck thì hàm lượng nước từ 85% ÷ 95% Cung cấp đầy đủ nước cho rau trong quá trình sinh trưởng là biện pháp cơ bản để đạt năng suất cao, chất lượng tốt (cây rau tươi, ngon và có hương vị) Nước thiếu cây rau sinh trưởng kém, thấp bé, còi cọc, năng suất chất lượng giảm Nước thừa trong quá trình sinh trưởng làm cho cây mềm yếu, nồng độ đường thấp, nồng độ các chất hòa tan giảm…dẫn đến chất lượng kém

Nước là yếu tố cơ bản để quang hợp, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất trong cây, đến trạng thái chất nguyên sinh Nước còn có tác dụng quan trọng trong quá trình vận chuyển, sự giãn nở và sự lớn lên của lá Vì vậy nước

có vai trò trong quyết định đến sự sinh trưởng phát triển của cây rau Có nước thì cây mới thực hiện được các hoạt động sống, nên có thể nói không có nước thì không có sự sống Nước là thành phần cơ bản cấu tạo nên chất nguyên sinh Các quá trình trao đổi chất trong cây đều cần có nước tham gia như tổng hợp và phân giải chất hữu cơ Nước là nguyên liệu tham gia vào quá trình quang hợp, nước cần thiết cho sự vận chuyển vật chất trong cây, là dung môi hòa tan các chất, duy trì độ căng của tế bào, làm cho cây ở trạng thái cân bằng v.v…Các trạng thái cân bằng nước trong cây theo [16] thể hiện bằng tỷ số giữa lượng nước bay hơi và lượng nước cây hút Nếu khủng khoảng nước vào các thời kỳ sinh trưởng tới hạn đó thì sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng [23], [24], [25], [28], [29], [33], [34], [36]

Trên cơ sở phân tích trên việc thiết kế một hệ thống tưới vừa tiết kiệm nước, vừa đảm bảo nhu cầu của cây rau là một trong những vấn đề quan trọng trong quá trình trồng rau

Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng và độ pH

Theo [16] thì nhìn chung trong quá trình sinh trưởng cây rau hấp thu 70%N, 20%P và 80%K bón vào đất trong suốt vụ trồng Rau là cây trồng có thời gian sinh trưởng ngắn, chất dinh dưỡng phong phú, năng suất cao Thời

vụ khẩn trương, vụ nọ tiếp vụ kia, một năm gieo trồng 2-3 vụ

Yêu cầu của cây rau với chất dinh dưỡng cũng thay đổi theo quá trình sinh trưởng Thời kỳ nảy mầm cây lớn lên nhờ chất dự trữ trong hạt, khi cây

có 4-5 lá thật, khả năng quang hợp của cây yếu vì vậy cần có dinh dưỡng từ môi trường đất hoặc môi trường đặc biệt khác Thời kỳ này rễ dễ rất mẫn cảm với nồng độ dung dịch đất Thời kỳ hình thành các cơ quan sử dụng (bắp, thân, củ, rễ, quả,…) là thời kỳ tốc độ sinh trưởng rất mạnh, cần cung cấp đầy

đủ chất dinh dưỡng, đặc biệt là các chất dinh dưỡng hòa tan Với các rau khác nhau yêu cầu với các nguyên tố đa lượng cũng thay đổi: Loại rau hút nhiều chất dinh dưỡng như cải bắp giống trung; loại rau hút dinh dưỡng trung bình như cà chua, cà, hành…; loại rau hút ít chất dinh dưỡng như: xà lách, rau diếp,

…Ngoài những yếu tố trên cây trồng còn chịu ảnh hưởng của gió, của vật hại như cỏ dại, sâu hại.v.v…

Với tính chất quan trọng việc cung cấp dĩnh dưỡng cho cây rau qua các thời kỳ sinh trưởng rất cần thiết Vì vậy, đối với phương pháp trồng rau không dùng đất cần phải xây dựng được hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây rau cho đúng tỷ lệ nhất định

Ảnh hưởng của gió

Gió cũng là yếu tố gây trở ngại cho sản xuất rau Trên đất khô hạn, gió làm xói mòn đất mạnh hơn trên đất được tưới Khi đất bị khô, nhỏ vụn thành bột thì sẽ mất đi tác dụng che phủ, bảo vệ mặt đất Đất nhỏ vụn còn gây ra hiện tượng phá vỡ kết cấu của đất và mất đi sự liên kết giữa các hạt của đất Trên đất được tưới, hàm lượng mùn ở đất cát thấp, gió sẽ làm cho đất và dinh

dưỡng bị trôi dạt và cuốn đi Trong quá trình trồng rau sạch trong nhà trồng rau có mái che thì gió cũng ít ảnh hưởng đến sự phát triển quả cây rau, tuy nhiên gió cũng tham gia vào sự thụ phấn khi trồng những cây rau lấy quả

Ảnh hưởng của những vật hại

Sâu bệnh hại và cỏ dại là những vật mà cây trồng không mong muốn, chúng có mặt ở mọi nơi, mọi lúc Những vật hại này thường phát triển mạnh ở những nơi dinh dưỡng phong phú Khi chúng ta sử dụng những giống mới, những loại rau có nhiều chất dinh dưỡng cũng là môi trường thuận lợi cho những vật hại phát triển, nhưng không phải tất cả sâu hại đề gây nguy hiểm cho sản xuất rau Rau được trồng trong nhà thì cũng hạn chế được những sâu bệnh, khi sử dụng lưới chống côn trùng, đây cũng là ưu điểm của việc trồng rau trong nhà lưới, nhà kính

1.4 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN

1.4.1 Các công trình trong nước

Một số cơ sở sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che ở nước ta hiện nay

Hiện nay, Việt Nam cũng đã xây dựng nhiều mô hình sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, mang lại hiệu quả kinh tế cao Một số mô hình thử nghiệm đã được triển khai tại các thành phố lớn như sau:

Tại Hà Nội: Khu nông nghiệp công nghệ cao khởi công tháng 4/2002

đã hoàn thành và đi vào hoạt động tháng 9/2004 Vốn đầu tư 24 tỷ đồng (1,5 triệu USD), trong đó 50% vốn ngân sách thành phố và 50% vốn cơ quan chủ quản – Công ty TNHH Nhà nước một thành viên đầu tư phát triển nông nghiệp Hà Nội Khu được xây dựng trên diện tích 7,5 ha với 5500 m2 trồng dưa chuột, cà chua, ớt ngọt; 2.000 m2 trồng hoa, các giống đều được nhập từ ISRAEL Hình ảnh của khu công nghệ cao Hà nội được trình bày trên hình 1.1

Với các tiến bộ mới về giống, quy trình chăm bón, hệ thống dinh dưỡng được cung cấp tự động, ánh sáng và nhiệt độ được điều chỉnh, năng suất cây trồng ở đây đạt khá cao và việc sản xuất bước đầu được xem là hiệu quả Song các thiết bị điều khiển đều được nhập ngoại giá thành cao và phụ thuộc rất nhiều đến công nghệ của nước ngoài [51]

Tại Hải Phòng: Dự án được thực hiện tại xã Mỹ Đức huyện An Lão

với tổng đầu tư 22,5 tỷ đồng Cơ quan chủ trì là Trung tâm phát triển Lâm nghiệp Hải Phòng Hình ảnh khu sản xuất rau cao nghệ cao ở Hải phòng được thể hiện trên hình 1.2

Khu nông – lâm nghiệp công nghệ cao Hải Phòng đã xây dựng các khu chức năng như: khu bảo tồn cây ăn quả đầu dòng và vườn ươm cây giống; khu sản xuất giá thể; khu nhà nuôi cấy mô tế bào; khu nhà kính, khu nhà lưới sản

Hình 1.1 Hình ảnh của khu công nghệ cao sản xuất rau ở Hà nội

Hình 1.2 Hình ảnh của khu công nghệ cao sản xuất rau ở Hải Phòng

xuất rau sạch chất lượng cao; khu nhà lưới sản xuất cây cảnh Hiện nay, các khu nhà lưới, nhà kính sản xuất rau và hoa đã hoạt động và cho sản phẩm được 2 ÷ 3 vụ Năng suất cà chua, dưa chuột đạt 200 ÷ 250 tấn/ha/năm, hoa hồng cũng đạt 200 ÷300 bông/m2

Tại Lâm Đồng từ đầu 2004 đã khởi động các chương trình trọng điểm

trong đó có chương trình nông nghiệp công nghệ cao Trong kế hoạch phát triển từ 2004 - 2010 Lâm Đồng dự kiến xây dựng một số khu nông nghiệp công nghệ cao với quy mô 15.000 ha Các hoạt động chính ở các khu này là sản xuất rau, hoa, dâu tây và chè Tổng số vốn đầu tư là 2.700 tỷ đồng, trong

tư lớn (7 tỷ đồng/ha hay xấp xỉ 0,5 triệu USD)

- Những khu sản xuất nông nghiệp trồng rau không dùng đất với quy

mô lớn trình bày ở trên sử dụng công nghệ mới, hiện đại và năng suất đạt được cũng rất cao như dự định

- Công nghệ và thiết bị đều nhập ngoại nên kinh phí đầu tư ban đầu lớn đối với thu nhập của người nông dân nước ta hiện nay Mặt khác trong quá trình sản xuất rau sạch phụ thuộc nhiều đến công nghệ trồng rau của nước ngoài và không làm chủ được thiết bị nhập ngoại

Một số công trình nghiên cứu về công nghệ trồng rau sạch không dùng đất ở nước ta

Đã có nhiều mô hình sản xuất nông nghiệp trồng rau không dùng đất của bà con nông dân ở một số địa phương với quy mô nhỏ, nhưng hiệu quả

đem lại khá lớn dù mức đầu tư thấp Như vậy, mở rộng việc ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp ven đô là xu thế chung, chúng ta cũng phải đi theo hướng này

- Tháng 6-1995, kỹ thuật trồng cây trong dung dịch bắt đầu được triển khai ở Việt Nam và cơ quan được giao tiến hành thử nghiệm là Đại học Nông nghiệp Hà Nội Trong vài năm gần đây, tại trung tâm sinh học và Bộ môn Sinh lý thực vật của trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đang trồng thử nghiệm một số loại rau ăn lá và ăn quả bằng các dung dịch tự pha chế thay thế dần cho nguyên liệu pha chế dung dịch nhập từ Đài Loan

- Theo tác giả Hồ Hữu An chủ nhiệm đề tài trọng điểm cấp Nhà nước

KC 07 20 (2003 -2005) sản xuất rau sạch (rau an toàn) bằng phương pháp không dùng đất là phương pháp gieo và trồng rau hoàn toàn không dùng đất tức là trồng trong dung dịch hay trồng rau trên cách giá thể, nên không bị ô nhiễm các kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực vật, vi sinh vật có hại, chủ động trong việc lấy nguồn nước không ô nhiễm để tưới cho cây rau, cây rau được cung cấp đầy đủ các loại phân bón (trên 10 nguyên tố đa, vi lượng), từ lúc cây con giống đến các giai đoạn sinh trưởng, phát triển, do đó chúng phát huy được tiềm năng về năng suất và chất lượng của giống Theo tác giả Hồ Hữu An, 2003 trồng rau trong nhà lưới, nên tránh được côn trùng gây bệnh, hạn chế các loại sâu, bệnh, giảm mức tối đa việc phun thuốc bảo vệ thực vật Với việc trồng rau trong nhà có mái che, luôn chủ động thời vụ, đặc biệt trồng được cả trái vụ, hạn chế được rủi ro, các công việc nặng nhọc nhất của người trồng rau đuợc giải phóng (như cày, cuốc, xới, lên luống, bổ hốc trồng, làm

cỏ, phân bón…), sau mỗi vụ trồng có thể trồng tiếp luôn mà không phải cày bừa, lên luống, làm cỏ như ngoài đồng ruộng Mặt khác với phương pháp trồng rau này tận dụng được diện tích không có khả năng canh tác mà vẫn tạo

ra được sản phẩm có năng suất và chất lượng cao Cũng theo tác giả Hồ Hữu

An, 2004 đã chứng minh rằng: bằng phương pháp trồng rau không dùng đất

có thể trồng quanh năm, hạn chế sâu bệnh, thuốc bảo vệ thực vật, đảm bảo được môi trường sống và giảm công lao động, và đạt năng suất cao (cà chua

có thể đạt 160 ÷ 170 tấn/ha/năm, dưa chuột 250 ÷ 260 tấn/ha/năm)

- Theo tác giả Nguyễn Quốc Vọng đã nhiều năm nghiên cứu về công nghệ trồng rau không dùng đất ở nước ngoài thì phương pháp trồng rau này cung cấp cho cây trồng chất dinh dưỡng thích hợp nhất cho mỗi thời kỳ sinh trưởng và sinh sản, kiểm soát được chất dinh dưỡng, nhờ vậy có thể giảm chi phí đầu tư phân bón Quan trọng hơn, phương pháp này cho phép loại trừ hoàn toàn được thuốc bảo vệ thực vật vì có khả năng kiểm soát được sâu bệnh Ngoài ra, phương pháp này còn có ưu điểm khác là do không dùng đất nên các công việc nặng nhọc như cày bừa, cuốc xới, làm cỏ, bón phân của con người đã được giải phóng Việc chăm sóc, thu hái dễ dàng, đem lại hiệu quả cao Có thể tận dụng mặt bằng trên diện tích không canh tác, đất cằn cỗi, bạc màu để sản xuất rau

Với các kết quả tổng hợp và phân tích ở trên việc trồng rau bằng phương pháp không dùng đất là kỹ thuật rất có nhiều triển vọng ở Việt Nam

do đó cần đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng ra sản xuất phục vụ đời sống

1.4.2 Các công trình nước ngoài

Trên thế giới, quá trình phát triển nông nghiệp công nghệ cao đang diễn

ra mạnh mẽ trên diện rộng ở những nước có khoa học công nghệ phát triển

Ðó là sự kết hợp ứng dụng các công nghệ trọng điểm của thời đại như công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học, công nghệ nano

để tạo ra nông sản có năng suất, chất lượng cao, giá thành hạ Dựa vào công nghệ gien, các nước tiên tiến đã tạo ra được các giống cây trồng có năng suất cao, công nghệ chọn lọc lai tạo giống, vật nuôi có thể rút ngắn thời gian nuôi, phát triển nhanh về số lượng nhờ công nghệ nhân bản vô tính [73]

Ơ Hà Lan hiện có xấp xỉ 12000 ha diện tích trồng rau trong nhà lưới

Ở Canada hiện có xấp xỉ 600 ha sản xuất rau trong nhà lưới

Ở Úc hiện có xấp xỉ 1500 ha diện tích trồng rau trong nhà lưới, cà chua

và dưa chuột có thể đạt được 500 tấn/ha và 250 tấn/ha

Jeremy Badgery-Parker

Efficient trolley systems

Hình 1.3 Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Hà lan

Jeremy Badgery-Parker

Integrated pest management

Jeremy Badgery-Parker

Hình 1.4 Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Canada

Hình 1.5 Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Úc

Ở Anh năm 1988 đã có 38 khu vườn khoa học Hiện nay ở Anh có xấp

xỉ 120 ha trồng cà chua trong nhà lưới

Ở Nhật Bản hiện có xấp xỉ 35000 ha diện tích trồng rau trong nhà lưới, trong đó 95% là nhà lợp plastic, với những cây chính như rau ăn lá, dâu tây, dưa chuột, cà chua

Khu công nghệ cao xuất hiện đầu tiên ở Mỹ vào năm 1939 và 40 năm sau Mỹ đã có trên 100 khu [100]

Năm 2002, Trung Quốc đã xây dựng 400 khu công nghệ cao, nhờ đó sự gia tăng giá trị sản xuất nông nghiệp đạt 42%, đạt giá trị sản lượng bình quân khoảng 40 nghìn đến 50 nghìn USD/ha/năm, gấp 40 ÷ 50 lần so với mô hình sản xuất trước đó Trung Quốc hiện đã có khoảng 500 khu nông nghiệp công nghệ cao và trên 4.000 mô hình sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao tại các vùng sinh thái khác nhau Những khu này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nền nông nghiệp hiện đại của Trung Quốc: Tăng nhanh được năng suất cây trồng, vật nuôi; tạo được giống lúa cao sản (lúa siêu năng suất 12 tấn/ha) có mang gen kháng sâu bệnh; các giống cà chua năng suất 140 tấn/ha, rau cải đỏ ngọt năng suất 60 tấn/ha… với chất lượng cao và đồng nhất [101]

Nhờ ứng dụng thành công và hiệu quả công nghệ tưới phục vụ cho

Jeremy Badgery-Parker

Carbon dioxide

Hình 1.6 Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Anh

canh tác nông nghiệp cũng như trong hệ thống nhà kính, nhà lưới mà nền nông nghiệp Isarel có năng suất và chất lượng cao, chẳng hạn cà chua đạt 250

÷ 300 tấn/ha, bưởi đạt 100 ÷ 150 tấn/ha, hoa cắt cành đạt 1,5 ÷ 2 triệu cành/ha, tạo ra giá trị sản lượng bình quân từ 120 nghìn đến 150 nghìn USD/ha/năm [100]

Hiệu quả mang lại từ các mô hình trên đã khẳng định các mô hình công

nghệ cao và khu nông nghiệp công nghệ cao đã và đang trở thành điển hình cho nền nông nghiệp tri thức của thế kỷ XXI

Kết luận chương 1

Rau sạch đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế và sinh hoạt của người Việt Nam Hiện nay, trong xu hướng phát triển của xã hội các nhà máy được xây dựng ngày một nhiều Các chất thải công nghiệp từ các nhà máy gây ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất rau và chất lượng trồng rau Rau sạch (rau an toàn) là rau phải đảm bảo các qui định về tiêu chuẩn của FAO và cục vệ sinh

an toàn thực phẩm của Việt Nam

Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh như nước, dinh dưỡng, khí hậu v.v đến khả năng sinh trưởng của cây rau và năng xuất cây trồng

Giới thiệu về các công trình nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu trong và ngoài nước trong quá trình trồng rau sạch bằng phương pháp không dùng đất Trên cơ sở đó, tiếp tục phân tích quy trình công nghệ trồng rau sạch và đề ra hướng nghiên cứu để áp dụng qui trình vào sản xuất rau sạch

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỒNG RAU SẠCH KHỒNG DÙNG ĐẤT

2.1 QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỒNG RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT Ở NƯỚC NGOÀI

Các nước trên thế giới, trong sản xuất nông nghiệp, ngành trồng rau rất phát triển và đã có một quá trình lịch sử lâu đời Điều được họ quan tâm là chất lượng, năng suất và hiệu quả kinh tế của các sản phẩm rau sạch, trong đó năng suất được quan tâm nhất Để tăng năng suất, các nhà nông học sử dụng phân bón và các hoá chất bảo vệ thực vật nên các hoá chất, kim loại nặng, nitrat và một số vi sinh vật có hại tồn dư trong rau quả quá mức cho phép làm ảnh hưởng đến sức khoẻ của cộng đồng, vì vậy các tổ chức FAO và WHO đã qui định rất chặt chẽ về vấn đề này Cũng chính vì vậy mà khái niệm sản xuất rau sạch, rau an toàn được quan tâm nhiều trong thập kỷ cuối của thế kỷ XX Những phương pháp, công nghệ sản xuất rau sạch được đưa vào các chương trình nghiên cứu và phát triển của nhiều quốc gia trên thế giới

Vấn đề sản xuất rau sạch theo truyền thống vẫn không ngừng phát triển, bên cạnh đó một công nghệ trồng rau mới được hình thành và phát triển,

đó là công nghệ trồng rau không dùng đất Trồng rau không dùng đất cho phép các quốc gia có diện tích canh tác hẹp cũng tự sản xuất được rau sạch Mặt khác trồng rau theo kiểu này sẽ tránh được sự xâm hại của các vi sinh vật

có hại từ môi trường tự nhiên, dễ dàng hơn cho việc chăm sóc và đảm bảo các nhu cầu về chất và nước cho cây rau ở mỗi thời kỳ phát triển Chính vì vậy mà công nghệ trồng rau không dùng đất cho năng suất cao và đảm bảo an toàn Công nghệ trồng rau không dùng đất được chia làm hai loại: trồng trong dung dịch và trồng trên các giá thể Công nghệ này cũng đang được nghiên cứu và

phát triển tại Việt Nam Để đảm bảo thực hiện đúng qui trình công nghệ sản xuất rau sạch trồng trên giá thể cần phải có những hệ thống tự động hóa Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa cho qui trình sản xuất này chính là mục tiêu của đề tài

2.1.1 Công nghệ trồng rau không dùng đất

Công nghệ trồng rau không dùng đất là phương pháp áp dụng cho các

hệ thống trồng rau không dựa vào đất để làm môi trường mọc rễ, nó bao gồm

cả trồng rau trong dung dịch và trồng trên các giá thể khác nhau đã có một quá trình nghiên cứu lâu dài

2.1.1.1 Trồng rau trong dung dịch

Là phương pháp trồng rau bao gồm các hệ thống không có giá thể hoặc chỉ dùng giá thể trong giai đoạn gieo và chăm sóc cây con bao gồm các loại hệ thống sau:

- Hệ thống trồng trong dung dịch sâu

- Hệ thống trồng trong dung dịch nổi

- Hệ thống trồng trong dung dịch sâu có hồi lưu và không hồi lưu với

kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng và phun mù dinh dưỡng

2.1.1.2 Trồng rau trên các giá thể

Khác với hệ thống trồng rau trong dung dịch ở chỗ, khi trồng cây trên giá thể rễ cây phát triển trên môi trường chất rắn giúp cho cây có nơi cư trú chắc chắn, không cần phải đỡ cây như trong dung dịch, đặc biệt có lợi đối với các loại rau cao cây trồng trên giá thể và được tưới dung dịch dinh dưỡng bằng phương pháp tưới nhỏ giọt Trồng rau trên giá thể bao gồm các hệ thống sau đây:

- Trồng rau trên giá thể trơ, hệ thống mở: bao gồm các hệ thống đơn giản

dùng cát hoặc các vật liệu khác nhau dạng hạt mịn hoặc hệ thống môi trường len đá hiện đại Nhưng người đầu tiên dùng cát hoặc các giá thể trơ khác để

trồng cây, người ta chia phương pháp trồng rau trên giá thể trơ, hệ thống mở thành các loại sau: trồng trên cát thành luống, trồng trên cát trong toàn thể nhà kính, phương pháp rãi cát, phương pháp trồng trên các giá thể trơ trong túi và phương pháp trồng rau trên len đá

- Trồng rau trên giá thể trơ, hệ thống kín: đặc trưng của hệ thống này là

một bộ phận các máng hay luống không thấm nuớc chứa một kết cấu thô hoặc trơ để tạo điều kiện cho dung dịch sinh trưởng thấm dễ dàng

- Trồng rau trên giá thể trơ tự nhiên: các chất hữu cơ do có khả năng giữ

nước và các chất dinh dưỡng cao hơn cát và sỏi, vì vậy trồng cây trên các giá thể hữu cơ cần sự chăm sóc ít hơn Với giá thể hữu cơ người ta có thể trồng rau trong máng, trồng trong túi và tưới tĩnh phía dưới các giá thể hữu cơ

Dung dịch dinh dưỡng để trồng cây không dùng đất: Theo PGS.TS Hồ Hữu An, 2003 các chất dinh dưỡng được cung cấp chủ yếu dưới dạng các muối và axít vô cơ, bao gồm nhóm chính: Các nguyên tố đa lượng: carbon, oxi, hydro, nitơ, kali, canxi, photpho, lưu huỳnh Các nguyên tố vi lượng: sắt, mangan, kẽm, đồng… Đây là những nguyên tố tối cần thiết đối với cây rau đã được phân tích trên cơ sở khoa học Ưu điểm của công nghệ trồng rau sạch không dùng đất ở chỗ: cung cấp đầy đủ, chính xác cho mỗi loại cây bắt đầu từ mỗi thời vụ qua các thời kỳ sinh trưởng, phát triển bằng phương pháp tưới nhỏ giọt dưới dạng dung dịch Nồng độ và tỉ lệ các chất dinh dưỡng trong dung dịch, độ pH và EC có thể điều khiển được tuỳ theo từng thời kỳ sinh trưởng phát triển của cây rau Đây là những lợi thế lớn của công nghệ trồng rau sạch không dùng đất mà các công nghệ khác không có được Hiện nay có nhiều công thức pha dung dịch đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất rau sạch

Có nhiều kỹ thuật cung cấp dinh dưỡng cho rau trong nhà có mái che Nhưng hiện nay trên thế giới phổ biến 2 kiểu đó là kiểu hồi lưu (NFT-

Nutrient Film Technique) và không hồi lưu RtW (Run to Waste) [75]

Mô hình kiểu hồi lưu NFT

Nguyên lý hoạt động của mô hình: Dung dịch sau khi cung cấp cho

cây sẽ được thu hồi tại bình nhỏ (Transfer tank), và được bơm qua thiết bị lọc (để lọc lấy chất hữu cơ còn lại) tới bình chứa (Drain tank) Sau đó dinh dưỡng được bơm tới bình tiếp theo (Recycle tank) qua hệ thống khử trùng (Disinfection system) Nước sau khi xử lý, khử trùng, được đưa vào bơm 1 (pump 1) qua van 3 chiều (The three – way valve) đặt tỷ lệ để điều chỉnh cho

EC là 1.0 Van 3 chiều có thể được điều chỉnh thủ công hoặc tự động theo giá

trị đặt trước (setpoint) của bơm 1 Trong mô hình là ví dụ về EC của cà chua

chỉ ra cho thấy lượng dinh dưỡng thêm vào chu trình mới là 1.6 để đạt được

yêu cầu về EC =2.6 ở bình chứa dung dịch cung cấp cho hệ thống cây (Daily

Batch Tank) qua bơm 2 (pump 2) vì (1.0 ở dung dịch tái chế cộng với 1.6

bằng 2.6) Trong hệ thống này người trồng điều chỉnh để đầu ra là 40% nhưng

Hình 2.1: Hệ thống hồi lưu NFT của Smith Graeme, 2003

HÖ thèng luèng c©y trång (Greenhouse Growing System)

B×nh chøa dd sau xö lý (Recycle Tank)

B×nh chøa n- í c s¹ ch

(Raw Water Tank)

HÖ thèng khö trï ng (Disinfection System)

EC = 2.6*

B×nh dung dÞch dinh d- ì ng (Daily Batch Tank)

Dung dÞch thu håi kho¶ng 40% (Nutrient Recirculation Typically 40%)

B¬m 2

EC = 1.6*

B×nh chøa dd sau läc (Drain Tank )

ThiÕt bÞ läc (Organic filter )

(Pump 2) B¬m 1

(Pump 1)

B×nh dung

dÞch

không bị thất thoát ra môi trường Kết quả là tiết kiệm được 40% phân bón, 40% nước và không làm ô nhiễm môi trường [75]

Mô hình kiểu RtW

Nguyên lý hoạt động của mô hình: Mô hình này chỉ ra là nước sạch

được bơm từ bình chứa (Raw water tank) vào bình chứa dung dịch (Daily

Batch Tank) đặt trước giá trị EC và pH theo nhu cầu của cây (trong mô hình

này lấy ví dụ đặt EC của cà chua, EC = 2.6) Trước khi và bình này, dung dịch

đó phải được điều chỉnh EC và pH bởi các bình A, B và Acid Sau đó dung dịch này được bơm tới hệ thống luống cây trồng Dung dịch sau khi cung cấp cho cây trồng (khoảng 20 ÷ 30 %) sẽ được thu hồi và xử lý hoặc sử dụng để trồng loại cây khác [78]

2.1.2 Các thiết bị phục vụ cho công nghệ

Để sản xuất rau sạch theo hướng công nghiệp cần phải đầu tư các thiết

bị tương ứng với công nghệ trồng được lựa chọn Có thể phân thiết bị sản xuất rau theo kiểu công nghiệp làm 3 loại chính: nhà trồng, hệ thống chăm sóc và

hệ thống thiết bị phục vụ cho yêu cầu khác của công nghệ

Hình 2.2 Hệ thống không hồi lưu RtW của Smith Graeme, 2003

B

HÖ thèng luèng c©y trång (Greenhouse Growing System)

B×nh chøa n- í c s¹ ch

(Raw Water Tank)

EC =2.6*

B×nh chøa dd dinh d- ì ng (Daily Batch Tank)

DD ch¶y ®i (Free-Drainage Nutrient)

B¬m 1

(Pump 1)

B¬m 2 (Pump 2)

Typically

20 -30%

EC =2.6*

Nhà trồng: Trên thế giới hiện nay đã nghiên cứu và ứng dụng một số

nhà trồng rau sạch theo kiểu công nghiệp: nhà lưới không có mái che, nhà lưới

có mái che và nhà kính Một số kiểu nhà trồng có mái che được trinh bày hình 2.3

- Nhà lưới không có mái che: Để chống côn trùng truyền bệnh, hạn chế phun thuốc bảo vệ thực vật, một phần nào giảm nhiệt độ và tránh dập nát rau khi mưa cần phải có nhà lưới để trồng rau Lưới có thể bằng thép, bằng Polyethylen hay Aluminet với độ mau khác nhau Khung nhà bằng thép cacbon thường, thép không rỉ hoặc bằng gỗ,…Loại này có ưu điểm: đầu tư ban đầu ít, thích hợp với người vốn ít Nhược điểm: không có khả năng tăng nhiệt mùa đông, không chịu mưa đá, tuyết vùng ôn đới Hiện nay một số nước như Trung Quốc, Thái lan, Mê hi cô, … đã sử dụng

- Nhà lưới có mái che: Nhà có thể phủ bằng Polyethylen hoặc bằng hợp chất cacbonát để chống mưa, bão, tránh dập nát rau, chống tia cực tím Nhà loại này có thể bố trí thêm hệ thống thông gió tự nhiên để giảm nhiệt độ, nhưng không lắp được hệ thống điều hoà trong nhà lúc cần thiết

- Nhà kính: loại này cao cấp, bởi có mái che và vật liệu che xung quanh trong suốt bằng Polyethylen hoặc bằng hợp chất cacbonát đủ ánh sáng cho cây quang hợp, chống côn trùng, chống được tia cực tím Loại nhà này cần có hệ

f) e)

d)

Hình 2.3 Một số kiểu nhà trồng có mái che của Beytes Chris, 2003

thống làm thoáng, làm mát, đặc biệt là trong những tháng nóng Các thiết bị cần thiết để hộ trợ cho nhà kính để cây rau phát triển tốt quanh năm: thiết bị thông gió cưỡng bức, tự nhiên; hệ thống làm mát, cấp nhiệt như điều hoà nhiệt

độ, bốc hơi nước, lưới phản quang Hệ thống cung cấp CO2 và hệ thống kiểm soát, điều chỉnh khí hậu trong nhà Các hệ thống này có thể điều khiển bằng thủ công, cơ khí hoặc tự động hoàn toàn

Các thiết bị chăm sóc: Các hệ thống thiết bị phụ thuộc vào công nghệ

sản xuất rau Các thiết bị chăm sóc đối với công nghệ sản xuất rau trên nền đất

có thể chia thành các hệ thống: tưới, phân bón Hệ thống tưới nhỏ giọt tự động được sử dụng cho công nghệ trồng rau trên các giá thể theo thời gian, dung lượng khác nhau Hệ thống này có thể sử dụng trên quy mô diện tích trồng rau khác nhau tuỳ thuộc vào thiết kế và tính toán hệ thống để xác định được áp suất đầu đường ống chính Một số thiết bị tưới nhỏ giọt được sử dụng trên thế giới có thể tưới bằng trọng lực, tưới phun, tưới phun sương hoặc phun cực nhỏ

Hệ thống thiết bị phụ trợ cho công nghệ: Theo kết quả nghiên cứu

của đề tài KC 07 20-2003, Theo tác giả, PGS.TS Hồ Hữu An, thì sản xuất rau theo kiểu công nghiệp đòi hỏi qui trình công nghệ phải chính xác ở một số khâu quan trọng Đối với công nghệ này yêu cầu các bộ phận lọc không được tắc kẹt, định lượng chất phải được hoà trộn đồng đều trong dung dịch nước tưới, theo tỷ lệ nhất định và chính xác theo qui định của nhà nông học Bộ phận tưới yêu cầu đảm bảo đúng dung lượng và thời gian Bộ phận điều chỉnh

áp lực, bộ phân kiểm soát pH, EC và hấp thụ nước theo điều kiện ánh sáng đã được nghiên cứu một cách hoàn thiện Ngoài ra, còn có hệ thống thu hồi và xử

lý dung dịch thừa sau khi tưới nhằm đảm bảo môi trường theo tiêu chuẩn của thế giới

Hệ thống điều khiển quá trình phục vụ công nghệ

- Hệ thống điều khiển quá trình của Jack Ross, 2001: hệ thống điều

khiển quá trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất được trình bày hình 2.4

Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che bằng phương pháp không dùng đất bao gồm các thành phần chính như: máy tính, bàn phím, màn hình và hệ thống kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính với các thiết bị vào ra như sau:

Thiết bị đầu vào (Input interface equipment) là các cảm biến đo mức

CO2, nhiệt độ không khí, độ ẩm, cường độ ánh sáng trong nhà lưới hoặc nhà kính và lượng EC, pH của dung dịch dinh dưỡng tưới cho cây rau

Thiết bị đầu ra (Output interface equipment) là các hệ thống bơm, quạt thông gió, hệ thống làm ấm (heaters), hệ thống phun sương, làm mát (coolers)

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển quá trình của Jack Ross,2001

Hệ thống điều khiển được thực hiện trên máy tính, đo các thông số đầu vào thông qua hệ thống cảm biến Chương trình điều khiển được viết theo quy trình công nghệ trồng rau từ chương trình này điều khiển các thông số đầu ra

- Hệ thống điều khiển quá trình của Garzoli Keith, 2001: hệ thống điều

khiển quá trình được trình bày ở hình 2.5

Các tín hiệu đầu vào hệ thống bao gồm các thông số bên trong, bên ngoài nhà trồng rau Trong đó, các thông số bên trong nhà trồng bao gồm: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, EC và pH của dung dịch dinh dưỡng,

các thông số bên ngoài nhà trồng như là nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí,

cường độ ánh sáng, tốc độ và hướng gió, tỉ lệ lượng mưa

Hình 2.5.Hệ thống điều khiển quá trình của Garzoli Keith, 2001

- Lượng nước mưa

- Lưu dữ liệu môi

trường

- Giám sát quá trình

điều khiển

- Theo dõi sinh

trưởng của cây rau

- Kiểm tra các thông

số điều khiển với chế

độ đặt

- Điều khiển các thông

số ảnh hưởng đến quátrình sinh trưởng củacây rau

- Lựa chọn các loại cây rau

- Xác định nhu cầu cầnđiều khiển

Các tín hiệu đầu ra là tín hiệu để điều khiển hệ thống làm mát, làm

ấm, quạt thông gió, máy bơm, điều chỉnh cường độ ánh sáng và các van điện

được gắn đầu các luống trồng rau

Ngoài ra hệ thống điều khiển quá trình còn có các mô đun, giúp cho việc theo dõi, giám sát quá trình trồng rau, cụ thể như sau: Mô đun giúp máy tính làm nhiệm vụ ghi lại những điều kiện môi trường hàng giờ (hoặc hàng phút), từ đó xác định những dấu hiệu bất thường đối với cây (như phát triển chậm, phát sinh mầm bệnh) và thay đổi hay hiệu chỉnh kịp thời các thông số đầu vào Mô đun bảo vệ hệ thống giúp cho trong quá trình làm việc, nếu phát hiện có sự cố như báo tình trạng hỏng bơm, trục trặc điện, tình trạng gió mạnh

thì hệ thống ngừng làm việc hoặc báo về trung tâm điều khiển Mô đun giám

sát hệ thống theo dõi, kiểm tra việc thực hiện đúng theo quy trình công nghệ đặt ra tại các vị trí hoặc khu vực Mặt khác, quá trình làm việc của hệ thống điều khiển được thực hiện bởi máy tính với phần mềm điều khiển Thông qua phần mềm này người trồng rau nhập các thông số đặt qua bàn phím hoặc lựa chọn loại cây trồng Sau đó, máy tính chọn những hoạt động điều khiển thích hợp và đưa chúng vào quy trình hoạt động như yêu cầu của người điều khiển Trong nhiều hệ thống, giá trị trung bình của các thông số khí hậu khác nhau

có thể được tự động tính toán ở bất kỳ khoảng thời gian nào cần (hàng phút, giờ, ngày và tuần) Những giá trị này được lưu trữ, hiển thị và in theo yêu cầu

Tóm lại, máy tính sẽ điều khiển hệ thống linh hoạt để ra những quyết định liên quan đến việc điều khiển môi trường trong nhà có mái che tạo môi trường khí hậu thuận lợi cho cây trồng Chẳng hạn khả năng thực hiện hệ thống thống gió điều khiển theo hướng gió đó là với đợt gió mạnh, bộ thông gió ở hướng gió thổi sẽ được đóng và phía dưới hướng gió mở - trong trường hợp không có gió, cả hai hướng sẽ mở Mặt khác, luôn cung cấp đảm bảo chính xác số lượng dung dịch dinh dưỡng cho cây rau theo từng loại cây và

giai đoạn sinh trưởng Bảng 2.1 dưới đây chỉ ra những thông số điều khiển và những hệ thống mà sử dụng để tác động làm thay đổi giá trị của thông số điều khiển

Bảng 2.1: Tương quan của các thông số điều khiển với hệ thống thiết bị

- Hệ thống thông gió ( Lỗ thông gió, quạt)

- Bộ thay đổi nhiệt (Heat exchanger)

- Hệ thống phun sương (Misters, foggers, humidifiers )

- Máy giảm độ ẩm (Dehumidifier)

Khí CO2

- Bộ thông gió ( Lỗ thông gió, quạt)

- Cơ cấu hệ thống cung cấp CO2

Cường độ chiếu

sáng

(Illumination)

- Màn che nóng/ánh sáng (Thermal/shade screens)

- Rèm che (Blackout curtains)

- Đèn (Lights )

- Hệ thống điều khiển quá trình của Harford Kevin, 2001: hệ thống

điều khiển quá trình được trình bày ở hình 2.6 Hệ thống điều khiển quá trình được thực hiện bởi việc kết nối bộ điều khiển với máy tính, thông qua phần mềm ECOS đang được sử dụng ở nông nghiệp Úc Phần mềm ECOS điều khiển quá trình tưới, nhiệt độ, dung dịch dinh dưỡng (đối với hệ thống hồi lưu

NFT), pH, EC, hệ thống làm ấm, thông gió và phun sương, thêm nữa là CO2trong nhà Super Maxi –Span (tên một loại nhà lưới có mái che ghép)

Hệ thống là chuyên gia trong việc giám sát và điều khiển nhà lưới có mái che, phần mềm tích hợp trên bất kỳ máy tính PC 486 nào có sử dụng Windows 95/98/2000 Phần mềm sau khi được cài đặt cho phép truy nhập bởi những chuyên viên ngành nông nghiệp, nhà cung cấp dịch vụ hoặc người trồng rau Trên hình 2.6 là hệ thống điều khiển quá trình, được sử dụng bởi phần mềm ECOS với các thông số đầu vào và đầu ra, cụ thể như sau:

Các thông số đầu vào là thông số môi trường trong và ngoài nhà trồng như nhiệt độ không khí, độ ẩm, cường độ ánh sáng, CO2, lượng mưa, hướng gió, pH và EC

Hình 2.6 Hệ thống điều khiển quá trình của Harford Kevin, 2001

MÁY TÍNH (phần mềm ECOS)

- Hệ thống làm ấm

- Hệ thống làm mát

- Cung cấp CO2

- Hệ thống cung cấpdinh dưỡng

Các thông số đầu ra là các tín hiệu để điều khiển máy bơm cho hệ thống tưới, phun sương, quạt thông gió và hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây trồng

Qui trình sản xuất rau sạch kiểu công nghiệp của thế giới

Qui trình sản xuất rau sạch kiếu công nghệ của thế giới được trình bày trên hình 2.7 như sau:

Để thực hiện được qui trình sản xuất rau sạch kiếu công nghệ của thế giới phải kết hợp giữa công nghệ trồng rau và thiết bị phục vụ cho công nghệ Trong đó công nghệ trồng rau không dùng đất trong nhà lưới cho mái che được trồng theo hai phương pháp trồng trong dung dịch và trồng trên giá thể, với hai phương pháp này có thể thích hợp cho các loại rau khác nhau Vì vậy,

Qui trình sản xuất rau sạch kiểu công nghiệp của thế giới

Công nghệ trồng rau

không dùng đất

Thiết bị phục vụ công nghệ

Trồng trong

dung dịch

Trồng trên giá thể

Các loại nhà trồng

Thiết bị chăm sóc

T.bị phục

vụ đặc biệt

lưu

Kiểm soát các thông số ảnh

hưởng đến quá trình trồng rau

Hình 2.7 Qui trình sản xuất rau sạch kiểu công nghiệp của thế giới

theo Hồ Hữu An,2003

để lựa chọn phương pháp trồng rau người ta căn cứ vào loại cây trồng, ví dụ như cây dưa chuột, cà chưa, ớt ngọt được trồng trên các giá thể và cây xà lách, rau muống được trồng trong dịch Ngoài ra hệ thống trồng rau được thiết kế theo kiểu hồi lưu và không hồi lưu với bộ điều khiển kết hợp máy tính

để theo dõi, kiểm soát các thông số ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của cây rau Đối với thiết bị phục vụ cho công nghệ được chia thành ba loại: Nhà trồng, thiết bị chăm sóc và thiết bị điều khiển với các loại thiết bị này phải được thiết kế theo qui trình công nghệ trồng rau tuỳ thuộc vào khu vực, địa hình và đặc điểm thời tiết tại nơi được trồng rau

2.2 QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ TRỒNG RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT Ở TRONG NƯỚC

Hiện nay, ở trong nước đã có nhiều chuyên gia nông học nghiên cứu

về qui trình trồng rau sạch bằng phương pháp không dùng đất đã cho kết quả khả quan như [3], [5], [9], [10], [11], [22], [26], [35], [37], [38], [40], [46], [48], [49] Với các kết quả này, bước đầu qui trình trồng rau sạch không dùng đất đã được áp dụng ở một số địa phương như các thành phố như Hà Nội, Hải Phòng, Đà lạt….Như vậy, người trồng rau đã làm được làm quen với quy trình công nghệ trồng không dùng đất Tuy nhiên, các thiết bị phục vụ cho công nghệ chưa được đồng bộ hoặc thủ công trừ các cơ sở sản xuất lớn thiết

bị được nhập từ nước ngoài thì thiết bị tương đối đồng bộ nhưng giá thành lại quá cao Qui trình công nghệ sản xuất rau sạch trong nước hiện nay được trình bày hình 2.8 Với qui trình công nghệ sản xuất rau sạch trong nước hiện nay, cũng được chia thành đó là công nghệ trồng rau không dùng đất và thiết bị phục vụ công nghệ Trong đó công nghệ trồng rau theo hai phương pháp đó là trồng trong dung dịch và trồng trên giá thể, với hai phương pháp này được trồng theo kiểu không hồi lưu và kiểm soát các thông số ảnh hưởng đến quá trình trồng rau chủ yếu theo phương pháp đo rồi điều chỉnh, tuy nhiên chỉ có