Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng LED (Light-Emitting Diodes) sản xuất rau ăn lá trong nhà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

PHAN NGỌC NHÍ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CHIẾU
SÁNG LED (Light-Emitting Diodes) SẢN XUẤT
RAU ĂN LÁ TRONG NHÀ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGÀNH KHOA HỌC CÂY TRỒNG

2020


TÓM TẮT
Luận án “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chiếu sáng LED (light-emitting
diodes) sản xuất rau ăn lá trong nhà” được thực hiện từ tháng 5/2016 đến tháng
1/2019 tại trường Đại học Cần Thơ nhằm xác định: (1) Ảnh hưởng của quang phổ
đèn LED, (2) Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED
đến sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành trồng
trong điều kiện phòng tối, (3) Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED
đến sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành trồng
nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới và (4) Hiệu quả của mô hình trồng trong nhà
có sử dụng đèn LED với sản xuất truyền thống. Kết quả cho thấy:
Trong điều kiện phòng tối hoàn toàn: (1) Đèn LED có quang phổ 80% đỏ:
20% xanh dương là phù hợp cho sinh trưởng, năng suất, chất lượng của cải củ, cải
phụng thu non và xà lách trường thành, thậm chí năng suất xà lách còn cao hơn
111% so với ánh sáng tự nhiên (đối chứng). (2) Cường độ 107 μmol.m-2.s-1 và 137
μmol.m-2.s-1 kết hợp với thời gian chiếu sáng 20/4-24/0 đều cho năng suất tổng của
cải củ và cải phụng thu non cao nhất và thấp nhất là ở 40 μmol.m-2.s-1 khi kết hợp

với thời gian chiếu sáng 14/10-18/6 . Đối với xà lách thủy canh sử dụng đèn LED
có cường độ 107 μmol.m-2.s-1 kết hợp thời gian chiếu sáng 20/4 và 22/2 (giờ
sáng/tối) cho kết quả đạt cao nhất về năng suất thương phẩm (dao động từ 2,532,57 kg/m2). Trong điều kiện nhà lưới trồng trên kệ 3 tầng có bổ sung ánh sáng đèn
LED (80% đỏ:20% xanh dương, cường độ 107 μmol.m-2.s-1): (3) Trồng cải củ và
cải phụng thu non với thời gian bổ sung đèn LED từ 16, 18 và 20 giờ/ngày đêm
cho năng suất thương phẩm cao nhất (2,80-3,13 kg/m2), cao hơn 11-35% so với bổ
sung đèn LED 10; 12 và 14 giờ/ngày đêm. Xà lách thủy canh chiếu sáng bổ sung
đèn LED từ 16, 18 và 20 giờ/ngày cho năng suất thương phẩm cao nhất ở cả 3 thời
điểm thu hoạch 25, 28 và 31 ngày sau khi gieo. (4) Cải củ và Cải phụng thu non
với thời gian chiếu sáng bổ sung đèn LED 16 giờ/ngày đêm cho sản lượng rau
thương phẩm (kg/m2/vụ) cao hơn 167- 664% so với điều kiện ngoài đồng và cao
hơn 316-504% so với mô hình thủy canh 1 tầng sử dụng ánh sáng tự nhiên trong
nhà lưới. Trồng xà lách thủy canh với thời gian chiếu bổ sung đèn LED 16 giờ/ngày
đêm cho sản lượng thương phẩm cao hơn 24-30 lần so với thủy canh 1 tầng sử dụng
ánh sáng tự nhiên trong nhà lưới và cao hơn 21-37 lần so với điều kiện ngoài đồng.
Từ khóa: cường độ ánh sáng, đèn LED, quang phổ, rau non, thời gian chiếu sáng,
xà lách.

i


ABSTRACT
The thesis “Study of LED (light-emitting diodes) lighting technology
application to produce leafy vegetables indoor” was carried out from May 2016
to January 2019 in College of Agriculture, Can Tho University. The main
objectives of the research were: (1) The effect of LED spectrum, (2) The effect of
LED light intensity and photoperiods on growth, yield of baby greens (radish and
mustard greens) and mature lettuce grown in dark room condition, (3) The effect
of supplemental LED lighting periods on growth, productivity of baby greens
(radish and mustard greens) and mature lettuce grown under cultivation shelves in

greenhouse condition and (4) The effect of indoor growing method using LED
lights with traditional production. The results showed that:
In dark room condition: (1) The LED spectrum with 80% red: 20% blue was
suitable for growth, productivity, quality of baby radish greens, mustard greens and
mature lettuce, even lettuce productivity was 111% higher than natural light
(control). (2) LED light intensity of 107 μmol.m-2.s-1 and 137 μmol.m-2.s-1
combined with photoperiods of 20/4 - 24/0 (ligh/dark) showed the highest yield the
total yield of baby radish greens and mustard greens and the lowest one was at 40
μmol.m-2.s-1 when combined with photoperiods 14/10 and 18/6. For hydroponic
lettuce using LED with intensity of 107 μmol.m-2.s-1 combined photoperiods of
20/4 and 22/2 (light/dark) gave the highest result of commercial productivity
(varied from 2.53-2.57 kg/m2). In greenhouse and under 3-tiers growing shelf with
supplemental LED lighting (80% red: 20% blue, intensity of 107 μmol.m-2.s-1)
conditions: (3) Growing baby radish greens and mustard greens under
supplemental LED periods of 16, 18 and 20 hours/day gave the highest commercial
yield (2.80-3.13 kg/m2), were 11-35% higher than additional LED lighting on 10,
12 and 14 hours/day. Hydroponic lettuce with supplemental LED lighting from 16,
18 and 20 hours/day showed the highest commercial productivity at all three
harvest times (25, 28 and 31 days after sowing, respectively). (4) Growing baby
radish greens and mustard greens with supplemental LED lighting periods of 16
hours/day for commercial productivity (kg/m2/crop) was 167- 664% higher than
under open field condition and 316-504% higher than hydroponic using natural
light in a greenhouse. Growing hydroponic lettuce under supplemental LED
lighting on 16 hours/day LED was 24-30 times higher yield than hydroponic using
natural light in greenhouse and 21-37 times higher than field condition.
Keywords: light intensity, LED light, spectrum, baby vegetables, lighting time,
lettuce.
ii

MỤC LỤC
Tóm tắt ................................................................................................................ i
Summary ............................................................................................................ ii
Lời cam đoan .................................................................................................... iii
Mục lục ............................................................................................................. iv
Danh sách bảng ................................................................................................ vii
Danh sách hình................................................................................................. xii
Danh sách từ viết tắt ....................................................................................... xiv
Chương 1 Giới thiệu ........................................................................................ 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 1
1.2 Mục tiêu ....................................................................................................... 2
1.3 Nội dung nghiên cứu.................................................................................... 2
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 3
1.5. Những đóng góp mới của luận án ............................................................... 3
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................. 3
Chương 2 Tổng quan tài liệu .......................................................................... 5
2.1 Khái quát về sản xuất cây trồng trong nhà .................................................. 5
2.1.1 Khái niệm về sản xuất cây trồng trong nhà ........................................ 5
2.1.2 Sơ lược quá trình hình thành và phát triển.......................................... 5
2.1.3 Các yêu cầu cơ bản ............................................................................ 6
2.2 Ánh sáng với cây trồng ................................................................................ 7
2.2.1 Vai trò của ánh sáng trong quang hợp ................................................ 7
2.2.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến phát sinh hình thái cây trồng ............... 9
2.2.3 Ảnh hưởng của quang phổ ................................................................ 13
2.2.4 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng .................................................. 15
2.2.4 Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng ................................................ 16
2.3 Ánh sáng LED trong sản xuất nông nghiệp ............................................... 17
2.3.1 Lịch sử phát triển.............................................................................. 17
2.3.2 Ưu điểm và hạn chế.......................................................................... 19

iv


2.4 Một số loại rau ăn lá thích hợp trồng trong các nhà máy sản xuất cây trồng . 20
2.5 Một số kết quả nghiên cứu về ứng dụng đèn LED trong nông nghiệp...... 22
2.5.1 Trong nước.............................................................................................. 22
2.5.2 Trên thế giới ............................................................................................ 23
Chương 3 Phương pháp nghiên cứu ............................................................ 29
3.1 Phương tiện nghiên cứu ............................................................................. 29
3.1.1 Thời gian và địa điểm....................................................................... 29
3.1.2 Vật liệu ............................................................................................ 29
3.2 Nội dung nghiên cứu.................................................................................. 32
3.3 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 33
3.3.1 Nội dung 1: Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng
và năng suất của một số loại rau ăn lá .............................................. 33
3.3.2 Nội dung 2: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu
sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất một số loại rau ăn lá .. 36
3.3.3 Nội dung 3: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED
đến sinh trưởng và năng suất một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng
trong nhà lưới ................................................................................... 38
3.3.4. Nội dung 4: Hiệu quả của mô hình trồng rau ăn lá trong nhà có sử
dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống .................................... 40
3.4 Phương pháp thu thập và phân tích các chỉ tiêu ........................................ 42
3.5 Phân tích số liệu ......................................................................................... 44
Chương 4 Kết quả và thảo luận.................................................................... 45
4.1 Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của
một số loại rau ăn lá .................................................................................. 45
4.1.1 Thí nghiệm 1: Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng
và năng suất của cải củ và cải phụng thu non ................................. 45
4.1.2 Thí nghiệm 2: Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng

và năng suất xà lách thủy canh. ....................................................... 61
4.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến
sinh trưởng và năng suất của một số loại rau ăn lá ................................... 72

v


4.2.1 Thí nghiệm 3: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian
chiếu sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất cải củ và cải
phụng thu non .................................................................................. 72
4.2.2 Thí nghiệm 4: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu
sáng đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của xà lách thủy canh . 90
4.3 Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và
năng suất một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng điều kiện nhà lưới ......... 100
4.3.1 Thí nghiệm 5: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED
đến sinh trưởng và năng suất cải củ và cải phụng thu non trồng
nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới ............................................... 100
4.3.2 Thí nghiệm 6: Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED
đến sinh trưởng và năng suất xà lách trồng thủy canh nhiều tầng
trong điều kiện nhà lưới ................................................................. 109
4.4 Hiệu quả của mô hình trồng rau ăn lá có sử dụng đèn LED so với sản xuất
truyền thống ............................................................................................. 117
4.4.1 Thí nghiệm 7: Hiệu quả của mô hình sản xuất cải củ và cải phụng thu
non thủy canh có sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống . 117
4.4.2 Thí nghiệm 8: Hiệu quả của mô hình sản xuất xà lách thủy canh có
sử dụng đèn LED so với sản xuất truyền thống ........................... 127
Chương 5 Kết luận và đề xuất .................................................................... 136
5.1 Kết luận .................................................................................................... 136
5.2 Đề xuất ..................................................................................................... 137
Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 138

Phụ lục .................................................................................................................

vi


DANH SÁCH BẢNG
Bảng
2.1
3.1
3.2
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19

Tên bảng
Trang
Mật độ khí khổng của lá xà lách ở các nghiệm thức chiếu sáng
đèn LED khác nhau
27
Các loại đèn LED được sử dụng trong nghiên cứu
29
Thành phần dưỡng chất trong công thức dung dịch dinh dưỡng
thủy canh Hoagland cải tiến – Bộ môn KHCT, Khoa NN, ĐHCT
31
Chiều cao cây cải củ thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED
qua các NSKG
45
Chiều cao cây cải phụng thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn
LED qua các NSKG
46
Số lá cải củ thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua các
NSKG
47
Số lá cải phụng thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua
các NSKG
47
Chiều dài lá cải củ thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED
qua các NSKG
48
Chiều dài lá cải phụng thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn
LED qua các NSKG
49
Chiều rộng lá cải củ thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED
qua các NSKG

49
Chiều rộng lá cải phụng thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn
LED qua các NSKG
50
Độ Brix và hàm lượng vitamin C cải củ thu non ảnh hưởng bởi
quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch
56
Độ Brix và hàm lượng vitamin C cải phụng thu non ảnh hưởng
bởi quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch
56
Hàm lượng chất khô và hàm lượng chlorophyll cải củ thu non ảnh
hưởng bởi quang phổ đèn LED thời điểm thu hoạch
58
Hàm lượng chất khô và hàm lượng chlorophyll cải phụng thu
non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED thời điểm thu hoạch
58
*
Chỉ số màu sắc b và ΔE của lá cải củ thu non ảnh hưởng bởi
60
quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ phụng non ảnh hưởng bởi
quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều cao cây xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua
các NSKG
Số lá xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua các NSKG
Chiều dài lá xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua các
NSKG
Chiều rộng lá xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED qua
các NSKG
Độ Brix và hàm lượng vitamin C của xà lách ảnh hưởng bởi

quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch

vii

60
62
63
64
65
69


4.20
4.21
4.22
4.23

4.24
4.25

4.26
4.27
4.28
4.29
4.30

4.31
4.32
4.33
4.34

4.35
4.36
4.37

4.38
4.39
4.40

Hàm lượng chất khô và hàm lượng chlorophyll của xà lách ảnh
hưởng bởi quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ phụng non ảnh hưởng bởi
quang phổ đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều cao cây (cm) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều cao cây (cm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu
hoạch
Số lá (lá/cây) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Số lá trên cây (lá/cây) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu
hoạch
Chiều dài lá (cm) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều dài lá (cm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với
4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều rộng lá (cm) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều rộng lá (cm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng đèn LED tại thời điểm thu hoạch

Đường kính gốc cải (mm) củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu
hoạch
Đường kính gốc (mm) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Khối lượng cây cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Khối lượng cây (g) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Năng suất tổng (kg/m2) cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Năng suất tổng (kg/m2) cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Năng suất thương phẩm (kg/m2) củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Năng suất thương phẩm cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu
sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu
hoạch
Độ Brix (%) của cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Độ Brix (%) của cải phụng thu non ở 6 thời gian chiếu sáng với
4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Hàm lượng chất khô của cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch

viii

70
71
72

73
74

75
76
76
77
77

78
79
80
80
81
83
84

85
85
86
87


4.41

4.42

4.43

4.44
4.45
4.46
4.47
4.48
4.49
4.50
4.51
4.52
4.53
4.54
4.55
4.56
4.57
4.58
4.59
4.60
4.61

Hàm lượng chất khô (%) của cải phụng thu non ở 6 thời gian
chiếu sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời
điểm thu hoạch
Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải củ thu non ở 6 thời gian chiếu
sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm
thu hoạch
Chỉ số màu sắc b* và ΔE của lá cải phụng thu non ở 6 thời gian
chiếu sáng với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời
điểm thu hoạch
Chiều cao cây (cm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch

Số lá xà lách (lá/cây) ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức cường
độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều dài lá (cm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều rộng lá (cm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Diện tích lá (cm2/cây) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Đường kính gốc (mm) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức
cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Khối lượng cây (g/cây) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Năng suất tổng (kg/m2) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Năng suất thương phẩm (kg/m2) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng của đèn LED thời điểm thu hoạch
Độ Brix (%) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4 mức cường
độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Hàm lượng chất khô (%) xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chỉ số màu sắc ΔE của lá xà lách ở 6 thời gian chiếu sáng với 4
mức cường độ ánh sáng của đèn LED tại thời điểm thu hoạch
Chiều cao cây cải củ thu non ở các mức thời gian bổ sung ánh
sáng khác nhau qua các NSKG
Chiều cao cây cải phụng thu non ở các thời gian bổ sung ánh
sáng khác nhau qua các NSKG
Số lá cây cải củ thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác
nhau qua các NSKG
Số lá cây cải phụng thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng
khác nhau qua các NSKG

Chiều dài lá cải củ thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác
nhau qua các NSKG
Chiều dài lá cải phụng thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng
khác nhau qua các NSKG

ix

88

88

89
90
91
92
92
93
94
95
96
97
98
98
99
100
101
101
102
102
103

4.62
4.63
4.64
4.65
4.66
4.67
4.68
4.69
4.70
4.71
4.72
4.73
4.74
4.75
4.76
4.77
4.78
4.79
4.80
4.81
4.82
4.83
4.84

Chiều rộng lá cải củ thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng
khác nhau qua các NSKG
Chiều rộng lá cải phụng thu non ở các thời gian bổ sung ánh sáng
khác nhau qua các NSKG

Đường kính gốc và khối lượng cây cải củ thu non ở các thời gian
bổ sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch
Đường kính gốc và khối lượng cây cải phụng thu non ở các thời
gian bổ sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch
Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ thu non ở các thời gian bổ
sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch
Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ phụng non ở các thời gian
bổ sung ánh sáng khác tại thời điểm thu hoạch
Chiều cao cây xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác
nhau qua các thời điểm khảo sát
Số lá xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau qua các
thời điểm khảo sát
Chiều dài lá xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau
qua các thời điểm khảo sát
Chiều rộng lá xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau
qua các thời điểm khảo sát
Đường kính gốc xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng khác
nhau qua các thời điểm khảo sát
Chiều dài thân chính xà lách ở các thời gian bổ sung ánh sáng
khác nhau qua các thời điểm khảo sát
Tỉ lệ khối lượng thân trên khối lượng cây của xà lách ở các thời
gian bổ sung ánh sáng đèn LED qua các thời điểm khảo sát
Tỉ lệ năng suất thương phẩm/năng suất tổng của xà lách ở các
thời gian bổ sung ánh sáng khác nhau qua các thời điểm khảo sát
Độ Brix và hàm lượng chất khô xà lách ở các thời gian bổ sung
ánh sáng đèn LED tại thời điểm thu hoạch – 29 NSKG
Chiều cao cây cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời
điểm khảo sát
Chiều cao cây cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các
thời điểm khảo sát

Số lá cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất các thời điểm khảo sát
Số lá cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm
khảo sát
Chiều dài lá cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời
điểm khảo sát
Chiều dài lá cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời
điểm khảo sát
Chiều rộng lá cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các thời
điểm khảo sát
Chiều rộng lá cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất qua các
thời điểm khảo sát

x

103
104
104
105
107
108
109
110
110
111
111
112
113
115
116
117

117
118
118
119
120
120
121


4.85
4.86
4.87
4.88
4.89
4.90
4.91
4.92
4.93
4.94
4.95
4.96
4.97
4.98

Sản lượng tổng và sản lượng thương phẩm cải củ thu non ở 3 mô
hình sản xuất tại thời điểm thu hoạch
Sản lượng tổng và sản lượng thương phẩm cải phụng thu non ở
3 mô hình sản xuất tại thời điểm thu hoạch
Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ thu non ở 3 mô hình sản
xuất tại thời điểm thu hoạch

Độ Brix và hàm lượng chất khô cải củ phụng non ở 3 mô hình
sản xuất tại thời điểm thu hoạch
Một số chỉ tiêu vi sinh vật trên cải củ thu non ở 3 mô hình sản
xuất tại thời điểm thu hoạch
Một số chỉ tiêu vi sinh vật trên cải phụng thu non ở 3 mô hình
sản xuất tại thời điểm thu hoạch
Chiều cao cây xà lách ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm
khảo sát
Số lá xà lách ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm khảo sát
Chiều dài lá xà lách ở 3 mô hình sản xuất các thời điểm khảo sát
Chiều rộng lá xà lách ở 3 mô hình sản xuất qua các thời điểm
khảo sát
Tỉ lệ năng suất thương phẩm/năng suất tổng của xà lách ở 3 mô
hình sản xuất qua các thời điểm khảo sát
Sản lượng xà lách thương phẩm ở 3 mô hình sản xuất qua các
thời điểm khảo sát
Độ Brix và hàm lượng chất khô xà lách ở 3 mô hình sản xuất vào
thời điểm thủ hoạch
Một số chỉ tiêu vi sinh vật trên xà lách ở 3 mô hình sản xuất tại
thời điểm thu hoạch

xi

125
125
126
126
127
127
128

129
129
130
133
134
135
135


DANH SÁCH HÌNH
Hình

Tên hình

2.1

Khả năng hấp thu của chlorophyl a và chlorophyl b ở các bước
sóng ánh sáng khác nhau (Nguồn: Al-Alwani et al., 2016)
Bước sóng ánh sáng và các thụ quan ánh sáng (Higuchi and
Hisamatsu, 2016)
Chức năng của phototropins (Christie, 2007)
Sự chuyển đổi qua lại của phytochrome đỏ và đỏ xa trong điều
kiện tiếp nhận ánh sáng đỏ và đỏ xa (Higuchi and Hisamatsu,
2016)
Quang phổ tương đối của đèn LED từ các bước sóng cực đại khác
nhau (Fujiwara, 2016)
Ảnh hưởng của các giai đoạn bổ sung ánh sáng LED đến sự hình
thành sắc tố đỏ ở xà lách Cherokee (Owen and Lopez, 2015)
Chiều cao cây chia và dạ yến thảo các nghiệm thức ánh sáng đèn
LED khác nhau (Wollaeger and Runkle 2014)

Đèn LED với quang phổ khác nhau được sử dụng trong thí nghiệm
(a) thanh đèn LED và bộ biến áp, (b) LED đỏ (c) LED xanh dương
và (d) LED 50% đỏ: 50% xanh dương
Kệ 4 tầng trồng rau (a) bảng thiết kế và (b) kệ thực tế khi bố trí
Hạt giống (a) cải củ trắng, (b) cải xanh ngọt đuôi phụng và (c) xà
lách búp GN 63
Một số dụng cụ và vật liệu cơ bản (a) chỉ xơ dừa (b) mụn dừa (c)
đất sét nung (d) rọ thủy canh chuyên dụng (e) khay trồng rau non
Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án
Các nghiệm thức quang phổ đèn LED và ánh sáng tự nhiên (a)
LED đỏ,(b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50%
đỏ:50% xanh dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED
70% đỏ:30% xanh dương, (g) LED 80% đỏ:20% xanh dươngvà
(h) ánh sáng tự nhiên
Hệ thống kệ thủy canh hồi lưu (a) kệ trồng và (b) tầng trồng rau
Tổng quan khu vực bố trí thí nghiệm bổ sung ánh sáng đèn LED
trên kệ 3 tầng trồng xà lách
Đường kính gốc rau non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED tại
thời điểm thu hoạch (a) cải củ và (b) cải phụng
Khối lượng cây rau non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED tại
thời điểm thu hoạch (a) cải củ và (b) cải phụng
Năng suất cải củ thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED tại
thời điểm thu hoạch
Cải củ thu non ở 7 mức quang phổ tại thời điểm thu hoạch (a) LED
đỏ, (b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50% đỏ:50%
xanh dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED 70%
đỏ:30% xanh dương và (g) LED 80% đỏ:20% xanh dương và (h)
ánh sáng tự nhiên

2.2

2.3
2.4

2.5
2.6
2.7
3.1

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6

3.7
3.8
4.1
4.2
4.3
4.4

xii

Trang
9
10
11

12
18

25
26

29
30
30
32
33

34
39
40
51
52
53

53


4.5
4.6

4.7

4.8
4.9
4.10
4.11

4.12

4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22
4.23
4.24
4.25

Năng suất cải phụng thu non ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED
ở thời điểm thu hoạch
Cải phụng thu non ở 7 mức quang phổ tại thời điểm thu hoạch (a)
LED đỏ, (b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50%
đỏ:50% xanh dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED
70% đỏ:30% xanh dương và (g) LED 80% đỏ:20% xanh dương và
(h) ánh sáng tự nhiên
Xà lách ở 7 mức quang phổ tại thời điểm thu hoạch (a) LED đỏ,
(b) LED xanh dương, (c) LED trắng, (d) LED 50% đỏ:50% xanh
dương, (e) LED 60% đỏ:40% xanh dương, (f) LED 70% đỏ:30%
xanh dương, (g) LED 80% đỏ:20% xanh dương và (h) ánh sáng tự
nhiên
Đường kính gốc xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED ở thời
điểm thu hoạch
Khối lượng cây xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED ở thời

điểm thu hoạch
Năng suất xà lách ảnh hưởng bởi quang phổ đèn LED ở thời điểm
thu hoạch
Cải củ thu non ở 6 mức thời gian chiếu sáng (a) 14/10, (b) 16/8,
(c) 20/4, (e) 22/2 và (f) 24/0 với cường độ ánh sáng 107 μmol.m2 -1
.s ở ở thời điểm thu hoạch
Cải phụng thu non ở 6 mức thời gian chiếu sáng (a) 14/10, (b)
16/8, (c) 20/4, (e) 22/2 và (f) 24/0 với cường độ ánh sáng 107
μmol.m-2.s-1ở thời điểm thu hoạch
Năng suất của cải củ thu non ở 6 mức thời gian bổ sung ánh sáng
với 4 mức cường độ ánh sáng tại thời điểm thu hoạch
Năng suất của cải phụng thu non ở 6 mức thời gian bổ sung ánh
sáng với 4 mức cường độ ánh sáng tại thời điểm thu hoạch
Khối lượng cây xà lách ở 6 mức thời gian bổ sung ánh sáng với 4
mức cường độ ánh sáng qua các NSKG
Năng suất tổng xà lách ở 6 mức thời gian bổ sung ánh sáng với 4
mức cường độ ánh sáng qua các NSKG
Năng suất thương phẩm của xà lách ở 6 mức thời gian bổ sung ánh
sáng đèn LED tại thời điểm khảo sát
Đường kính gốc rau non ở 3 mô hình sản xuất tại thời điểm thu
hoạch (a) cải củ và (b) cải phụng
Khối lượng cây rau non ở 3 mô hình sản xuất tại thời điểm thu
hoạch (a) cải củ và (b) cải phụng
Năng suất cải củ thu non ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch
Năng suất cải phụng thu non ở 3 mô hình sản xuất tại thời điểm
thu hoạch
Đường kính gốc xà lách ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch
Khối lượng cây xà lách ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch
Năng suất tổng xà lách ở 3 mô hình sản xuất thời điểm thu hoạch
Năng suất thương phẩm của xà lách ở 3 mô hình sản xuất tại thời

điểm thu hoạch

xiii

54

55

62
66
67
68

82

83
106
106
113
114
115
122
122
124
124
130
131
132
133

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa từ viết tắt

ABA

Abscisic acid

ASTN

Ánh sáng tự nhiên

ADN

Axít Deoxyribonucleic

CAM

Crassulacean acid metabolism

CFU

Colony-forming unit

Cry

Cryptochrome

DLI

Daily light integral

ĐBSCL

Đồng bằng Sông Cửu Long

ĐC

Đối chứng

FR

Far red

FL

Fluorescent light

GA

Gibberellin

HID

High-Intensity Discharge

HPS

High-pressure sodium

KHCT

Khoa học cây trồng

LED

Light-emitting diodes

NADPH

Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate

NSKG

Ngày sau khi gieo

NST

Năng suất tổng

NSTP

Năng suất thương phẩm

PFR

Phytochrome far red

Phot

Phototropin

Phy

Phytochrome

PR

Phytochrome red

TN

Thí nghiệm

UV

Ultraviolet

xiv


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Tính từ năm 2007, hơn 50% dân số thế giới đang sinh sống ở các khu vực
thành phố và theo ước tính đến năm 2050 con số này sẽ đạt hơn 70%. Vì thế,
ngày càng nhiều người bắt đầu quan tâm đến sản xuất nông nghiệp đô thị
(Despommier, 2010). Nông nghiệp đô thị có hai lợi ích cơ bản. Một là giúp

người dân ở thành phố có thể thực hiện việc trồng trọt như một sở thích hoặc
một hoạt động giải trí trong cuộc sống hằng ngày và hai là tạo nguồn thực phẩm
an toàn cho gia đình hoặc lớn hơn là cung cấp cho người dân sống gần đó (Kozai,
2016). Theo Lê Phúc Chi Lăng (2017), vấn đề an ninh lương thực và an toàn vệ
sinh thực phẩm đã và đang được quan tâm tại thành phố lớn, đặc biệt đối với
những người dân có thu nhập thấp tại các đô thị luôn đối mặt với nguy cơ ngộ
độc do thói quen sử dụng các loại thực phẩm, nông sản không rõ nguồn gốc và
không đảm bảo an toàn. Trước những thực trạng đó, nhiều người dân trong
thành phố đã tận dụng sân thượng hay ban công để trồng rau trong thùng xốp
hoặc khay nhựa nhằm tạo ra nguồn rau an toàn cho gia đình sử dụng. Tuy nhiên,
với diện tích trồng nhỏ hẹp lại thêm thiếu ánh sáng mặt trời nên đã gây ra rất
nhiều khó khăn cho người trồng.
Trong khi đó, trên thế giới các nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo
trong lĩnh vực trồng trọt đã được quan tâm từ những năm 1990 (Massa and
Norrie, 2015). Đèn LED được xem là một nguồn ánh sáng nhân tạo tối ưu trong
việc thay thế ánh sáng mặt trời cho cây quang hợp (Shimizu et al., 2011). Đèn
LED có nhiều ưu điểm nổi bật như tiêu hao ít điện năng, kích thước nhỏ, tuổi
thọ kéo dài và nhiệt lượng tỏa ra ra thấp hơn các loại đèn huỳnh quang và đèn
cao áp (Gupta and Jatothu, 2013, Tewolde et al., 2016). Quan trọng hơn là công
nghệ đi-ốt phát sáng (LED) có thể tạo ra các bước sóng đơn sắc xanh dương và
đỏ phù hợp cho sự hấp thu tối đa ánh sáng của chlorophyll a và chlorophyll b
trong hệ thống quang hợp của cây trồng (Shimokawa et al., 2014), đồng thời
hạn chế được sự lãng phí điện năng do không tạo ra các bước sóng không cần
thiết cho quang hợp (Mitchell et al., 2012) nên đèn LED đã và đang được ứng
dụng trong sản xuất ở nhiều quốc gia có nền nông nghiệp tiên tiến (Stutte, 2009).
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong sản
xuất nông nghiệp đang bắt đầu được chú trọng phát triển. Các nghiên cứu chủ
yếu liên quan đến ứng dụng ánh sáng đèn LED trong nuôi cấy mô (Nguyễn
Thanh Phương và ctv., 2014, Hoàng Thanh Tùng và ctv., 2015, Nguyễn Khắc
Hưng và ctv., 2016), tác động quang kỳ trên hoa cúc (Nguyễn Bá Nam và ctv.,

1


2014) và ứng dụng xử lý ra hoa trên cây thanh long (Lê Văn Bé và ctv., 2014).
Tuy nhiên, vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về ứng dụng đèn LED trên cây rau,
đặc biệt là nhóm rau ăn lá. Các loại rau ăn lá chủ yếu thuộc nhóm cây ngắn
ngày, tương đối dễ trồng và rất được ưa thích trong các bữa ăn hằng ngày của
các gia đình người Việt. Rau ăn lá có thể được trồng với mật độ cao, chiều cao
cây thấp nên phù hợp với sản xuất rau đô thị, sản xuất rau theo hướng nhiều
tầng nhằm khai thác không gian trên cao để tăng sản lượng rau trên đơn một vị
diện tích (Kozai, 2013). Việc xác định cụ thể quang phổ, cường độ và thời gian
chiếu đèn LED để thay thế ánh sáng mặt trời trong việc thúc đẩy tăng trưởng,
gia tăng năng suất và chất lượng các loại rau ăn lá là rất quan trọng để có thể
phát triển sản xuất nông nghiệp đô thị, đáp ứng nhu cầu tự sản xuất rau của
người dân. Chính vì thế việc nghiên cứu ứng dụng ánh sáng nhân tạo LED trong
sản xuất rau ăn là hết sức cần thiết trong thời điểm hiện tại.
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1.2.1 Mục tiêu tổng quát
Ứng dụng được nguồn ánh sáng đèn LED trong việc thay thế hoặc bổ sung
cho ánh sáng mặt trời để trồng rau ăn lá nhiều tầng trong điều kiện phòng tối
hoặc nhà lưới.
1.2.2 Mục tiêu cụ thể
- Xác định quang phổ, cường độ và thời gian chiếu sáng đèn LED phù hợp
cho sinh trưởng, năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách thu hoạch giai
đoạn trưởng thành trong điều kiện phòng tối.
- Xác định thời gian chiếu sáng bổ sung đèn LED phù hợp cho sinh trưởng,
năng suất của cải củ, cải phụng thu non và xà lách thu hoạch giai đoạn trưởng
thành trồng nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tập trung vào các nội dung sau:

- Ảnh hưởng của quang phổ đèn LED đến sinh trưởng và năng suất của
một số loại rau ăn lá.
- Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED đến
sinh trưởng và năng suất của một số loại rau ăn lá.
- Ảnh hưởng của thời gian bổ sung ánh sáng đèn LED đến sinh trưởng và
năng suất một số loại rau ăn lá trồng nhiều tầng trong điều kiện nhà lưới.
- Đánh giá hiệu quả của mô hình trồng rau ăn lá trong nhà có sử dụng đèn
LED so với sản xuất truyền thống.
2


1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: đề tài nghiên cứu trên đối tượng ánh sáng nhân
tạo LED để sản xuất rau ăn lá.
- Phạm vi nghiên cứu: đề tài tập trung nghiên cứu về ảnh hưởng của tổ hợp
quang phổ, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng đèn LED, thời gian bổ
sung ánh sáng đèn LED đến sự sinh trưởng, năng suất và chất lượng một số loại
rau ăn lá trồng nhiều tầng trong điều kiện phòng tối và nhà lưới.
Các nghiên cứu được thực hiện từ tháng 5/2016 đến tháng 1/2019 tại Nhà
lưới Nghiên cứu Rau sạch, khoa Nông Nghiệp, trường Đại học Cần Thơ. Nghiên
cứu này chủ yếu phục vụ cho sản xuất rau quy mô hộ gia đình và có thể ứng
dụng để sản xuất quy mô công nghiệp.
1.5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Luận án đã xác định được:
+ Đèn LED 80% đỏ:20% xanh dương (quang phổ) phù hợp cho sinh
trưởng, năng suất cải củ trắng, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành.
+ Khi sử dụng đèn LED 80% đỏ:20% xanh dương có cường độ 107
μmol.m-2.s-1 chiếu sáng theo chu kỳ ngày/đêm là 20/4 cho kết quả sinh trưởng,
năng suất cải củ, cải phụng thu non và xà lách trưởng thành hiệu quả hơn các
nghiệm thức khác.

+ Với điều kiện trồng nhiều tầng trong nhà lưới, cải củ, cải phụng thu non
và xà lách khi được bổ sung đèn LED 80% đỏ:20% xanh dương với cường độ
107 μmol.m-2.s-1 chiếu sáng theo chu kỳ ngày/đêm là 16 giờ/ngày đêm cho hiệu
quả sản xuất tốt nhất.
- Luận án còn thể hiện được những ưu điểm nổi bật của việc ứng dụng ánh
sáng nhân tạo LED trong sản xuất rau nhiều tầng so với các mô hình sản xuất
truyền thống. Là tiền đề để xây dựng, phát triển các mô hình ứng dụng đèn LED
trồng rau trong sản xuất thương mại.
1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
* Về khoa học
- Luận án đóng góp những kết quả nghiên cứu cơ bản về ứng dụng ánh
sáng LED trong sản xuất. Kết quả luận án cũng góp phần làm phong phú thêm
cơ sở khoa học cho các nghiên cứu sau này để tiếp cận xu hướng phát triển sản
xuất rau trong nhà ở các quốc gia có nền nông nghiệp tiên tiến.

3


- Kết quả này có thể sử dụng bổ sung giáo trình giảng dạy và tài liệu tham
khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của ánh sáng nhân tạo đến một
số loại rau ăn lá.
* Về thực tiễn
Kết quả luận án:
- Đáp ứng được nhu cầu tự sản xuất một số loại rau ăn lá của người dân ở
các khu đô thị, thành phố lớn khi thiếu không gian canh tác và điều kiện ánh
sáng tự nhiên.
- Góp phần quan trọng trong việc xây dựng quy trình sản xuất rau non và
xà lách trưởng thành theo hướng sản xuất nhiều tầng nhằm tăng sản lượng rau
trên một đơn vị diện tích.
- Là nền tảng quan trọng cho các cơ sở ứng dụng ánh sáng LED trong sản

xuất rau nhiều tầng theo quy mô sản xuất thương mại.

4


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 KHÁI QUÁT VỀ SẢN XUẤT CÂY TRỒNG TRONG NHÀ
2.1.1 Khái niệm về sản xuất cây trồng trong nhà
Thuật ngữ “plant factory” được sử dụng chủ yếu ở châu Á, để mô tả một
cơ sở sản xuất nông nghiệp có nguyên tắc hoạt động như một cơ sở sản xuất
công nghiệp điển hình. Các cơ sở này được thiết kế cẩn thận, đầy đủ các khu
vực tương ứng cho từng giai đoạn phát triển của cây trồng. Điều kiện môi trường
bên trong cơ sở sản xuất như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng, nồng độ CO2 và các
tiêu chuẩn về dung dịch dinh dưỡng luôn được kiểm soát theo đúng yêu cầu.
Các cơ sở còn được trang bị các hệ thống cảm biến điều khiển quá trình tự động
hóa một số công đoạn trong nhà máy (Ting et al., 2016).
Mô hình nhà máy sản xuất cây trồng là một nhà máy sản xuất bao gồm 6
thành phần chính: có cấu trúc cách nhiệt và gần như kín khí hoàn toàn, hệ thống
kệ trồng rau thủy canh từ 4-20 tầng được trang bị thiết bị chiếu sáng như đèn
huỳnh quang hoặc đèn LED, có hệ thống điều hòa và quạt lưu thông không khí,
có hệ thống cung cấp CO2, hệ thống cung cấp dinh dưỡng thủy canh và thiết bị
kiểm soát môi trường. Đối với mô hình này, công nhân chỉ được vào làm việc
sau khi vệ sinh cá nhân sạch sẽ và sử dụng trang phục đúng quy định (Kozai,
2007).
Trong mô hình này, sản phẩm tạo ra hoàn toàn sạch vì không sử dụng hóa
chất bảo vệ thực vật nhờ quá trình kiểm soát tối ưu điều kiện không khí và vùng
rễ của cây trồng, các sản phẩm rau ăn lá có thể được sử dụng trực tiếp mà không
cần phải rửa trước khi chế biến. Đồng thời, thời hạn sử dụng của rau được trồng
trong các nhà máy sau khi thu hoạch sẽ tăng gấp đôi so với rau được trồng trong

nhà kính, vì hàm lượng vi sinh vật thấp hơn 300 CFU/g tương đương 1/100 đến
1/1.000 so với trồng rau trong điều kiện ngoài đồng sau khi rửa với nước máy
(Kozai, 2013).
2.1.2 Sơ lược quá trình hình thành và phát triển
Vào những năm 1980, mô hình sử dụng ánh sáng nhân tạo để trồng rau
trong nhà đầu tiên được thành lập tại Nhật Bản. Ban đầu các cở sở sản xuất chủ
yếu sử dụng nguồn ánh sáng đèn cao áp HID (High-Intensity Discharge) hay
còn gọi là đèn xenon bởi vì khí xenon được sử dụng bên trong đèn. Sau đó đến
năm 1990, nhiều trang trại sử dụng ánh sáng nhân tạo để trồng xà lách bắt đầu
được thành lập, ở giai đoạn này hệ thống trồng rau trên kệ nhiều tầng bắt đầu
được quan tâm để tăng sản lượng rau trên một đơn vị diện tích. Đồng thời nguồn
5


ánh sáng đèn huỳnh quang (FL) dần áp dụng để thay thế đèn HID. Tuy nhiên
đến những năm 2000, nguồn ánh sáng LED bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng
và thay thế nguồn ánh sáng đèn huỳnh quang trong các mô hình sản xuất rau
trong nhà. Với hiệu quả mà mô hình sản xuất rau trong nhà mang lại, các mô
hình sản xuất này được gia tăng mỗi năm và đặc biệt đến năm 2009, mô hình
này mới bắt phát triển bùng nổ tại Nhật Bản và vẫn tiếp tục gia tăng cho đến
ngày hôm nay (Hayashi, 2016).
Bên cạnh Nhật Bản, Đài Loan cũng là quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này
từ năm 2010. Ban đầu, chỉ có 1 trường Đại học và khoảng 13 công ty tham gia
nghiên cứu, tuy nhiên con số này đã tăng lên 14 trường Đại học và gần 100 công
ty tư nhân tham gia vào năm 2015 (Fang, 2016). Công nghệ ứng dụng nguồn
ánh sáng nhân tạo để sản xuất rau trong nhà là một ngành công nghiệp mới hiện
nay. Nhờ những tiến bộ khoa học kỹ thuật, việc sản xuất rau trong nhà có thể
giảm thiểu các rủi ro trong sản xuất như điều kiện bất lợi của môi trường tự
nhiên và sâu bệnh hại, đồng thời sản phẩm tạo ra sẽ an toàn và chất lượng hơn.
Mặc dù vấn đề lợi nhuận kinh tế không phải lúc nào cũng được đảm bảo. Tại

Nhật Bản chỉ có khoản 25-30% mô hình sản xuất rau trong nhà có thể kiếm
được lợi nhuận. Hiện tại, số lượng các công ty tham gia nghiên cứu và ứng dụng
đang tăng nhanh ở Đài Loan và Nhật Bản (Kozai, 2014).
2.1.3 Các yêu cầu cơ bản
2.1.3.1 Hệ thống trang thiết bị
Trong hệ thống sản xuất rau trong nhà, môi trường phát triển của cây trồng
được kiểm soát cẩn thận bao gồm các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, CO2 và
dung dịch dinh dưỡng. Thủy canh là một phương pháp canh tác thường được sử
dụng trong các nhà máy trồng cây, nơi cây được trồng mà không cần đất, mà
thay vào đó là dung dịch dinh dưỡng. So với trồng cây trên đất, thủy canh có lợi
thế về tiết kiệm nước tưới và chất dinh dưỡng, cũng như kiểm soát hoàn toàn
hơn các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của cây. Việc kiểm soát
toàn bộ điều kiện bên trong hệ thống là vô cùng quan trọng để đảm bảo sự sinh
trưởng, năng suất của cây và tính ổn định của mô hình. Các hệ thống cảm biến
nhiệt độ, ẩm độ, nồng độ CO2… được trang bị để thu thập các thông tin nhằm
kịp thời điều chỉnh, xử lý khi có những vấn đề phát sinh, đảm bảo cây trồng
luôn được đặt trong điều kiện tối ưu nhất cho sinh trưởng và phát triển (Chen et
al., 2016).
2.1.3.2 Nguồn sáng nhân tạo
Đèn huỳnh quang, đèn Natri cao áp và đèn LED thường được sử dụng làm
nguồn chiếu sáng đơn lẻ hoặc nguồn chiếu sáng hỗn hợp cho các nhà máy sản
6


xuất cây trồng (Zhang et al., 2015). Trong những năm gần đây, đèn LED đang
là sự lựa chọn tốt nhất trong các nguồn ánh sáng nhân tạo hiện có. Đèn LED có
khả năng giảm chi phí điện năng tiêu thụ nhờ quá trình chuyển đổi hiệu quả điện
năng sang các bước sóng ánh sáng phù hợp cho cây trồng, đồng thời giảm được
chi phí làm mát cho các nhà máy sản xuất nhờ lượng nhiệt tỏa ra thấp hơn các
nguồn sáng nhân tạo khác. Bên cạnh đó, thiết kế đèn LED nhỏ gọn phù hợp với

việc lắp đặt theo thiết kế trồng cây nhiều tầng. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban
đầu cao hiện đang là một trở ngại lớn của việc phát triển ứng dụng đèn LED
trong sản xuất nông nghiệp (Ting et al., 2016).
2.1.3.3 Đối tượng cây trồng
Thông thường các loại cây được chọn để canh tác trong các nhà máy sản
xuất có chiều cao ngắn hơn khoảng 30 cm, vì khoảng cách giữa các tầng là
khoảng 40 cm để khai thác tối đa không gian trên cao. Cây thích hợp cho sản
xuất thương mại là những cây phát triển tốt ở cường độ ánh sáng tương đối thấp,
chịu được mật độ trồng cao và hầu hết các bộ trên cây đều có thể sử dụng được
hoặc bán được với giá trị kinh tế cao. Như vậy, các nhóm rau ăn lá, cây thảo
mộc, cây dược liệu là những loại cây thường được trồng trong các hệ thống sản
xuất rau trong nhà. Đối với nhóm cây lương thực như lúa mì, lúa gạo, khoai tây
thường không phù hợp sản xuất trong các hệ thống này vì không mang lại hiệu
quả kinh tế. Ngoài ra, các hệ thống trồng rau trong nhà với ánh sáng nhân tạo
còn được sử dụng để sản xuất cây giống nhằm mục đích thương mại (Kozai,
2013).
2.2 ÁNH SÁNG VỚI CÂY TRỒNG
2.2.1 Vai trò của ánh sáng trong quang hợp
Nguồn năng lượng chủ yếu của sinh vật trên trái đất là năng lượng bức xạ
mặt trời. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời sự sống đã phát sinh, duy trì và
phát triển. Ánh sáng là nguồn cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp,
đồng thời đó cũng là nguồn tín hiệu kích hoạt quá trình quang hóa và các quá
trình sinh lý khác. Cây xanh chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học
thông qua quá trình quang hợp, sử dụng ánh sáng làm nguồn thông tin cho quang
kỳ (chiều dài ngày/đêm), quang hướng động (tính hướng sáng) và quang phát
sinh hình thái. Những phản ứng này phụ thuộc vào cường độ, chất lượng và thời
gian chiếu sáng (Dương Tấn Nhựt và ctv., 2014). Ánh sáng được hấp thụ, phản
xạ hoặc truyền đi khi đến được thực vật. Một số photon được sử dụng trong các
hệ thống quang hóa ở lục lạp để sản sinh ra các ATP và NADPH cũng như giúp
cho quá trình tổng hợp hình thành carbohyrate, trong khi ánh sáng còn lại được

hấp thu và chuyển thành nhiệt (Kozai and Zhang, 2016).
7


Quá trình tăng trưởng và phát triển của cây trồng được điều chỉnh bởi chất
lượng ánh sáng (màu, bước sóng), cường độ và thời gian chiếu sáng (Pedro,
2006). Các yếu tố này đều có ảnh hưởng mạnh mẽ tới cây trồng, bao gồm độ
lớn cây trồng, cách tăng trưởng, sự chuyển tiếp sang giai đoạn trổ hoa, năng suất
thực tế (Chen et al., 2004). Trong thực vật thượng đẳng có hai nhóm sắc tố sử
dụng nguồn ánh sáng để thực hiện quá trình quang hợp là diệp lục (chlorophyll)
và carotenoid. Trong đó diệp lục là sắc tố chính đóng vai trò quan trọng nhất.
Diệp lục tố có phổ hấp thụ rất rộng, trải suốt phổ ánh sáng nhìn thấy với 2
cực đại ở cuối hai đầu dãy của phổ này. Tuy nhiên với diệp lục tố nhóm a
(chlorophyll a) có cực đại khác với nhóm b (chlorophyll b). Các sắc tố khác có
cực đại hấp thụ nằm giữa các cực đại của chlorophyll a và chlorophyll b. Trong
quang phổ hấp thụ của diệp lục, có hai vùng ánh sáng mà diệp lục hấp thụ mạnh
nhất tạo nên hai đỉnh hấp thu cực đại. Đó là vùng ánh sáng đỏ với cực đại là 662
nm và vùng ánh sáng xanh tím với cực đại là 430 nm (Lê Văn Hòa và Nguyễn
Bảo Toàn, 2005). Trung bình một lá cây ngoài đồng phản xạ 10% các tia sáng,
hấp thu 70% và truyền lan qua các lớp tế bào lá xuống dưới 20%. Trong số 70%
ánh sáng hấp thụ, quang hợp chỉ sử dụng 1% (chủ yếu là các tia sáng xanh dương
và đỏ, phần lớn năng lượng dùng để thoát hơi nước). Vì vậy có thể nhận thấy
bước sóng hữu ích cho quang hợp của cây là ánh sáng màu xanh dương có bước
sóng từ 430-460 nm và ánh sáng màu đỏ 630-720 nm (Hình 2.1). Đối với hai
vùng ánh sáng này, nếu cùng cường độ chiếu sáng chiếu đến lá thì vùng ánh
sáng đỏ có lợi cho quang hợp hơn ánh sáng xanh dương. Theo định luật quang
hóa thì tốc độ của phản ứng quang hóa không phụ thuộc vào độ lớn của năng
lượng quang tử mà chỉ phụ thuộc vào số quang tử nhận được. Năng lượng của
lượng tử ánh sáng đỏ nhỏ hơn nhiều so với ánh sáng xanh dương vì bước sóng
ánh sáng đỏ dài hơn ánh sáng xanh dương. Vì vậy, khi có một cường độ chiếu

sáng như nhau thì số quang tử của ánh sáng đỏ luôn nhiều hơn ánh sáng xanh
dương. Do đó phản ứng do ánh sáng đỏ kích thích nhiều hơn ánh sáng xanh
dương (Hoàng Minh Tấn và ctv., 2006). Diệp lục có vai trò hấp thụ năng lượng
ánh sáng mặt trời, chuyển thành dạng năng lượng kích thích điện tử của phân tử
diệp lục. Diệp lục có vai trò vận chuyển năng lượng vào trung tâm phản ứng.
Từ phân tử diệp lục hấp thu ánh sáng đầu tiên cho đến trung tâm phản ứng của
quang hợp là phải qua một hệ thống cấu trúc trong màng thilacoid gồm rất nhiều
phân tử diệp lục khác nhau. Năng lượng ánh sáng phải truyền qua các phân tử
diệp lục để đến được trung tâm phản ứng (P700). Tham gia biến đổi năng lượng
ánh sáng thành năng lượng hóa học tại trung tâm phản ứng P700 nhờ quá trình
quang phosphoryl hóa để hình thành nên ATP và NADPH (Nguyễn Đức Trung
Kiên và ctv., 2014).

8


Nhóm sắc tố carotenoid là nhóm sắc tố có màu vàng, da cam. Chúng là các
sắc tố vệ tinh của diệp lục. Quang phổ hấp thụ của nhóm sắc tố này là ở vùng
ánh sáng xanh dương có bước sóng 451-481 nm. Khả năng hấp thụ ánh sáng
của carotenoid là do hệ thống liên kết đơn, đôi quyết định (Nguyễn Đức Trung
Kiên và ctv., 2014).

Hình 2.1 Khả năng hấp thu của chlorophyl a và chlorophyl b ở các bước sóng
ánh sáng khác nhau (Nguồn: Al-Alwani et al., 2016)
2.2.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến phát sinh hình thái cây trồng
Theo Higuchi and Hisamatsu (2016), ánh sáng không chỉ được sử dụng
cho quá trình quang hợp của cây trồng mà ánh sáng còn là tín hiệu điều chỉnh
sự sinh trưởng và phát triển trong suốt chu kì sống của chúng. Khi chất lượng
ánh sáng, cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng thay đổi sẽ kéo theo những
biến đổi về hình thái của thực vật. Có thể được nhận thấy qua sự thay đổi cấu

trúc và hình dáng của thực vật như sự nẩy mầm của hạt, sự khởi phát hoa, mở
rộng kích thước lá, tránh các cây lân cận, vươn dài thân và tổng hợp sắc tố. Các
tín hiệu ánh sáng được tiếp nhận bởi các thụ quang, ảnh hưởng đến đồng hồ sinh
học và trực tiếp kích hoạt các phản ứng sáng.
* Các thu quang và chức năng của chúng
Ánh sáng là một yếu tố quan trọng cho sự tăng trưởng và phát triển của
cây. Cây trồng không chỉ cần cường độ ánh sáng mà còn cần chất lượng và màu

9


sắc ánh sáng (Zhang and Folta, 2012). Các thụ quang của cây trồng sẽ được kích
hoạt theo các bước sóng ánh sáng khác nhau (Liu, 2012, Hogewoning et al.,
2010) (Hình 2.2). Có ba thụ quang cảm nhận kích thích ánh sáng chính của cây
trồng là phytochrome, cryptochrome và phototropin (Chen et al., 2004).

Bước sóng
(nm)

Đỏ

Xanh
dương

Đỏ
xa

Hình 2.2 Bước sóng ánh sáng và các thụ quan ánh sáng (Higuchi and
Hisamatsu, 2016)
- Cryptochrome (Cry): Cryptochrome là bào quan nhận kích thích từ ánh

sáng xanh dương, có cấu trúc gần giống như enzyme quang phân ly ADN, nhưng
lại không thể hiện khả năng này. Có 2 loại crytopchrome là Cry 1 và Cry 2.
Cryptochrome tiếp nhận ánh sáng xanh dương và liên quan đến nhiều quá trình
sinh lý trong cây trồng như ngăn chặn sự kéo dài thân bên dưới lá mầm, kích
thích mở khí khổng, tổng hợp sắc tố và tác động đến quá trình ra hoa (Yu et al.,
2010). Cry 1 có cấu trúc protein ổn định trong ánh sáng, nhưng Cry 2 lại có cấu
trúc protein dễ bị biến đổi bởi điều kiện sáng. Cry 2 thúc đẩy quá trình ra hoa
trên cây trồng, được tích lũy trong điều kiện tối và bị biến đổi trong điều kiện
có sự xuất hiện của ánh sáng xanh dương (Lin et al., 1998, Mockler et al., 2003).
- Phototropin (Phot): Phototropin lần đầu tiên được xác định là một thụ
quang tiếp nhận ánh sáng màu xanh dương, nhưng cấu trúc hoàn toàn khác biệt
với cryptochrome (Huala et al., 1997). Có 2 dạng phototropin là Phot 1 và Phot
2 (Kagawa et al., 2001). Khi ánh sáng xanh dương tác động lên protein của

phototropin trên màng tế bào thì tại đó sẽ xảy ra sự phosphate hóa và kéo
theo hàng loạt quá trình khác nhau trong tế bào. Phototropin giúp thực vật
điều tiết các quá trình như: hướng quang, tái phân bố lục lạp, kích thích
mở khí khổng (Briggs and Christie 2002, Christie 2007) (Hình 2.3). Phot 1
hoạt động trong nhiều điều kiện cường độ ánh sáng khác nhau. Trong khi

10