Hoạt động sản xuất trồng trọt ngày càng bị đe dọa bởi diễn biến thời tiết bất thường, thiếu nước sản xuất và không đủ đất đai. Bên cạnh đó, dân số thế giới được dự báo sẽ gia tăng từ 7 tỷ người vào năm 2011 lên 9,3 tỷ người vào năm 2050 và dân số ở đô thị sẽ tăng từ 3,6 tỷ người lên 6,3 tỷ người, tăng 72% (FAO, 2009). Do đó, để đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu, bảo vệ môi trường, cải thiện sức khỏe và đạt được tăng trưởng kinh tế, cần có các hình thức canh tác nông nghiệp mới, và hình thức canh tác thẳng đứng trong nhà sử dụng hệ thống “Nhà máy trồng cây với ánh sáng nhân tạo - Plant factory with artificial lighting (PFAL)” để sản xuất hiệu quả cây trồng là một trong số đó. Thuật ngữ “Nhà máy trồng cây với ánh sáng nhân tạo” dùng để chỉ một cơ sở trồng trọt có cấu trúc giống như nhà kho cách nhiệt và gần như kín khí (Kozai, 2013).
Hình ảnh: Hệ thống trồng cây PFAL
Hệ thống trồng cây PFAL bao gồm nhiều kệ trồng với đèn điện trên mỗi kệ được xếp theo chiều dọc bên trong nhà máy. Các thiết bị cần thiết khác cho PFAL là máy điều hòa không khí, quạt lưu thông không khí, nguồn cấp CO2, các giải pháp cung cấp dinh dưỡng và thiết bị kiểm soát môi trường. Xếp chồng nhiều kệ nuôi trồng theo chiều dọc làm tăng hiệu quả sử dụng mặt bằng. Hệ thống đèn LED chuyên dụng đang được ưu tiên sử dụng trong các PFAL trong thời gian gần đây nhờ kích thước nhỏ gọn, nhiệt độ bề mặt đèn thấp, hiệu quả sử dụng ánh sáng cao và phổ ánh sáng rộng.
Hình ảnh: Mô hình hệ thống trồng cây PFAL
Hệ thống trồng cây PFAL không phải là sự thay thế cho nhà kính thông thường hoặc sản xuất ngoài trời. Thay vào đó, sự phát triển nhanh chóng của PFAL đã tạo ra thị trường và cơ hội kinh doanh mới. PFAL đang được sử dụng ở Nhật Bản và các nước châu Á khác để sản xuất thương mại rau xanh, thảo mộc và nhân giống cây trồng. Trang trại thẳng đứng trong nhà (Indoor vertical farm), một thuật ngữ khác được sử dụng ở Bắc Mỹ cho các khái niệm tương tự như PFAL, cũng đang được xây dựng ở Hoa Kỳ và Canada.
Hình ảnh: Nhà máy Keihanna, Nhật Bản
Hình ảnh: Nhà máy Aerofarm, Mỹ
Khi trồng trọt trên đồng ruộng, năng suất và chất lượng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, do đó nguồn cung cấp thực phẩm có nguồn gốc thực vật luôn luôn gặp rủi ro. Sản xuất nhà kính không hiệu quả về năng lượng vì ánh sáng bên trong không được điều tiết. Cường độ ánh sáng mặt trời thường quá thấp vào lúc bình minh, hoàng hôn và đêm, vào những ngày nhiều mây và mưa, và trong suốt mùa đông, trong khi đó, lại quá cao vào khoảng giữa trưa vào những ngày nắng. Nhiệt độ và độ ẩm tương đối bên trong nhà kính bị ảnh hưởng đáng kể bởi cường độ ánh sáng mặt trời, và do đó rất khó để tối ưu hóa môi trường. Để giảm nhiệt độ, nhà kính thường được thông gió, nhưng điều này cho phép côn trùng và bệnh tật xâm nhập vào bên trong nhà kính. Ngoài ra, CO2 trong nhà kính có quạt thông gió không thể được giữ cao hơn bên ngoài. Hơn nữa, chất lượng ánh sáng và hướng chiếu sáng cũng không thể kiểm soát được. Hóa chất nông nghiệp thường được sử dụng quá mức trong sản xuất nhà kính và trên đồng ruộng.
Trong khi đó, PFAL là một hệ thống trồng cây bằng phương pháp thủy canh ở trong nhà, tiên tiến và chuyên sâu mà ở đó môi trường phát triển được kiểm soát tối ưu. PFAL được kiểm soát tất cả các yếu tố đầu vào và có lượng phát thải tối thiểu ra môi trường bên ngoài.
Nếu được thiết kế và quản lý đúng cách, PFAL có những lợi thế tiềm năng so với hệ thống sản xuất thông thường như sau:
- Có thể được xây dựng ở bất cứ đâu vì không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời.
- Môi trường phát triển không bị ảnh hưởng bởi khí hậu bên ngoài và độ phì nhiêu của đất.
- Sản xuất có thể quanh năm và năng suất cao hơn.
- Chất lượng sản phẩm được kiểm soát thông qua việc kiểm soát môi trường nuôi trồng, đặc biệt là chất lượng ánh sáng.
- Sản phẩm không có thuốc trừ sâu và chất điều hòa sinh trưởng.
- Sản phẩm có thời hạn sử dụng lâu hơn, sạch hơn, vì mật độ vi khuẩn thường nhỏ hơn 300 CFU/g, bằng 1/100 đến 1/1000 so với sản phẩm được trồng bên ngoài.
- Chi phí vận chuyển hàng hóa có thể được giảm bằng cách xây dựng PFAL gần khu vực đô thị.
- Hiệu suất sử dụng tối đa nguồn tài nguyên (nước, khí CO2, phân bón). Do đó, giảm thiểu tối đa các chất ô nhiễm ra môi trường bên ngoài.
Loại cây trồng phù hợp với PFAL là những cây có chiều cao 30 cm hoặc thấp hơn như rau xanh, cây giống và rau gia vị, bởi vì khoảng cách giữa các tầng thẳng đứng thường khoảng 40 cm, chiều cao tối ưu để tối đa hóa không gian sử dụng. Ngoài ra, cây thích hợp với PFAL nên phát triển tốt ở cường độ ánh sáng tương đối thấp và phát triển mạnh ở mật độ trồng cao. Các loại cây lương thực (lúa mì, lúa gạo, khoai tây, …) không phù hợp cho sản xuất PFAL do chúng cần cường độ ánh sáng cao và tốn nhiều không gian.
Ngoài việc sản xuất thương mại các loại rau ăn lá, các loại PFAL nhỏ có diện tích sàn 15 - 100 m2 đã được sử dụng rộng rãi để sản xuất cây giống thương mại vì những cây giống như cà chua, dưa chuột, cà tím, rau diếp, … có thể được sản xuất trong một thời gian ngắn với mật độ trồng cao. Cây giống cà chua, dưa chuột, cà tím, cây giống rau bina và rau diếp dùng cho trồng thủy canh, và giống chiết cành của cây cảnh có giá trị cao cũng được sản xuất thương mại trong các PFAL nhỏ này ở Nhật Bản.
Thậm chí, còn có các PFAL nhỏ hơn gọi là micro-PFAL hoặc mini-PFAL (m-PFAL). Những m-PFAL này được thiết kế cho cư dân đô thị không có vườn ngoài trời hoặc cho các nhà hàng, quán cà phê, trung tâm mua sắm, trường học, trung tâm cộng đồng, bệnh viện và các tòa nhà văn phòng. m-PFALs chủ yếu được sử dụng để giải trí, tạo không gian xanh trong nhà, phục vụ cho sở thích trồng và thu hoạch cây xanh.
Hình ảnh: Hệ thống trồng cây m - PFAL
Tuy nhiên, có một số thách thức hoặc bất lợi với PFAL phải được giải quyết. Đầu tiên trong số này là chi phí ban đầu và sản xuất cao. Đầu tư ban đầu có thể được giảm đáng kể thông qua việc tối ưu hóa thiết kế nhà máy, chi phí sản xuất giảm hàng năm khi tích lũy kinh nghiệm vận hành và quản lý. Các cách tiếp cận khác để giảm chi phí sản xuất bao gồm tăng số tầng thẳng đứng, rút ngắn thời gian nuôi bằng cách kiểm soát môi trường tối ưu, thiết kế đúng tiến độ sản xuất để đảm bảo sản xuất quanh năm, không mất thời gian, tăng mật độ trồng và giảm tổn thất sản xuất.
Hiện nay, phương thức canh tác thẳng đứng trong nhà thu hút sự quan tâm của nhiều nhà đầu tư nhằm đưa phương thức này vào sản xuất thương mại. Trong quá khứ, đã có một số nỗ lực trồng cây trong nhà chỉ sử dụng ánh sáng nhân tạo ở cả Nhật Bản và Bắc Mỹ. Tuy nhiên, những nỗ lực này đã không dẫn đến sản xuất thương mại thành công vì giá thiết bị cao, tốn kém chi phí vận hành và cạnh tranh khốc liệt với cách thức sản xuất thông thường. Sự bùng nổ gần đây của hệ thống PFAL cùng với các cải tiến mới về thiết bị và công nghệ sẽ khác với những lần trước và ngày càng được hoàn thiện để được áp dụng một cách có hiệu quả và thực tế hơn, tạo ra cơ hội đa dạng trong sản xuất kinh doanh và giải pháp trồng trọt mới trong tương lai.
Tài liệu tham khảo
1. FAO, 2009. Global agriculture towards 2050, How to feed the world 2050.
2. Kozai, T., 2013. Plant factory in Japan: current situation and perspectives. Chron. Horticult. 53 (2), 8–11.
3. https://www.ft.com/content/f80ea9d0-21a8-11ea-b8a1-584213ee7b2b
4. https://aerofarms.com/