Cha đỡ đầu của hệ thống aquaponics

Tiến sĩ James Rakocy là người đã tham gia thiết kế các hệ thống sản xuất cả thực vật và cá từ những năm 1970. Ông tiết lộ kinh nghiệm khó giành được của mình trong một lĩnh vực chỉ được thiết lập để phát triển.

Hệ thống có quy mô thương mại đầu tiên của Tiến sĩ Rakocy bao gồm bốn bể ương cá và sáu luống trồng trọt. Ảnh: Tiến sĩ J Rakocy

Vào cuối những năm 1970, Tiến sĩ James Rakocy đang hoàn thành chương trình Tiến sĩ của ông tại trường Đại học Auburn, Alabama. Nghiên cứu của ông tập trung vào việc trồng cây kết hợp với chăn nuôi cá, tạo ra một hệ sinh thái nơi mà các chất dinh dưỡng từ cá cung cấp phân bón cho cây trồng, đồng thời cây hấp thụ tất cả nitơ và phốt pho thải ra từ cá, điều này giúp nước nuôi luôn trong và không có tảo.

Trong suốt những năm 1980, Tiến sĩ Rakocy đã tiếp tục phát triển hệ thống aquaponics thương phẩm tại trường Đại học Quần đảo Virgin (UVI) và trong suốt 30 năm tiếp theo, ông và nhóm của mình đã hoàn thiện một hệ thống aquaponics khả thi về mặt thương mại cho phép thu hoạch cá và cây trồng thường xuyên mà không cần thay nước và lượng chất dinh dưỡng bổ sung đầu vào rất vừa phải. Thiết kế hệ thống cuối cùng chỉ yêu cầu thường xuyên bổ sung canxi và kali hydroxit để giữ cho độ pH ở mức 7.0 và cứ cách ba tuần một lần cây trồng cần bổ sung thêm chất sắt.

Sự tiến hóa của hệ thống aquaponic

Theo Tiến sĩ Rakocy thì thiết lập ban đầu của ông tại UVI (sử dụng thùng phuy 55 gallon) đã chỉ ra rằng một hệ thống tích hợp các cây trồng và cá có thể hoạt động thành công trong một thời gian dài, mà lại cần ít chất dinh dưỡng đầu vào để duy trì sự phát triển của cây trồng.

Các thành phần của hệ thống là một lớp sỏi nơi mà cây cối đang phát triển, một bể lắng lọc hình nón để thu gom chất thải rắn có kích thước lớn hơn mà có thể lắng được và một bể riêng biệt để nuôi cá. Trong trường hợp này và các thí nghiệm trong tương lai, cá rô phi đã chứng minh được chúng là loài cá ứng cử viên lý tưởng.

Vấn đề duy nhất đối với thiết kế ban đầu này là lớp sỏi được sử dụng làm giá đỡ cho rễ cây thường xuyên bị chất thải rắn lơ lửng từ hệ thống mắc kẹt vào. Bể lắng hình nón tỏ ra rất hiệu quả trong việc loại bỏ các chất rắn có thể lắng được và sẽ vẫn là một thành phần quan trọng của hệ thống này. Để kiểm soát chất rắn lơ lửng và các chất dinh dưỡng hữu cơ hòa tan cần có một bộ lọc đơn giản nhưng tinh xảo bao gồm lưới chim trong một bể hình chữ nhật dài, bộ lọc như vậy sẽ chứng tỏ được tính khả thi từ cả quan điểm sinh học lẫn quan điểm kinh tế.

Cách bố trí hệ thống aquaponics tiên phong của Tiến sĩ Rakocy tại UVI. Ảnh: Dr J Rakocy

Các luống trồng cây bằng sỏi đã được thay thế bằng bè nổi, đây là một hệ thống được gọi là hệ thống nuôi nước sâu (DWC). Để tránh tình trạng tắc nghẽn cần bổ sung lưới chim bằng nhựa mỏng để thu gom các chất rắn lơ lửng. Nếu không có tấm lưới này thì chất rắn sẽ lắng đọng trong các luống trồng cây, dẫn đến quá trình khử nitơ mà đây là một quá trình loại bỏ nitrat mà cây trồng cần có để phát triển. Hơn nữa, quá trình khử nitơ sẽ tạo ra độ kiềm, loại bỏ cơ hội bổ sung canxi và kali hydroxit để tăng độ pH. Canxi và kali là hai nguyên tố thường xuyên được bổ sung vào để ngăn ngừa sự thiếu hụt khoáng chất của cây trồng, do đó chất rắn tích tụ trong các bể nuôi làm từ bè gỗ phải được loại bỏ để cung cấp canxi và kali cho cây ở dạng hydroxit.

Ngoài ra, nếu không có bộ lọc chất rắn lơ lửng mới lạ này thì các chất dinh dưỡng hữu cơ hòa tan sẽ tích tụ và tạo thành chất nhờn vi khuẩn bao phủ rễ cây, làm giảm tốc độ sinh trưởng của cây và thậm chí có thể giết chết cây trồng. Các chất hữu cơ tích tụ trên lưới chim trải qua quá trình phân hủy của vi khuẩn (hay còn được biến đến là quá trình khoáng hóa). Quá trình này giải phóng các chất dinh dưỡng từ chất hữu cơ ở dạng vô cơ mà chúng rất cần thiết cho sự phát triển của thực vật, vì rễ của chúng chỉ có thể hấp thụ chất dinh dưỡng ở dạng vô cơ. Các chất dinh dưỡng chính được giải phóng từ chất hữu cơ là nitơ và orthophosphat. Dạng phốt pho này có thể được sử dụng bởi thực vật và việc giải phóng nó là một công nhiệm vụ rất quan trọng được thực hiện bởi bộ lọc mới này. Bộ lọc sinh học lưới vây cần được tháo ra và làm sạch định kỳ bằng vòi xịt cao áp để loại bỏ chất hữu cơ tích tụ; đây được chứng minh là một công cụ quản lý chất lượng nước có thể được sử dụng để kiểm soát hàm lượng nitrat trong hệ thống. Việc vệ sinh bộ lọc thường xuyên sẽ làm giảm chất rắn tích tụ và giảm quá trình khử nitơ, dẫn đến hàm lượng nitrat cao hơn trong hệ thống để sản xuất các loại rau xanh như rau diếp. Việc ít làm sạch thường xuyên hơn làm tăng chất rắn tích tụ và tăng quá trình khử nitơ, dẫn đến hàm lượng nitrat thấp hơn trong hệ thống giúp tăng sản lượng đậu trái trên cây trồng như cà chua.

Cây húng quế non trong hệ thống nuôi trồng bè nước sâu. Ảnh: Tiến sĩ J Rakocy

Sau khi hệ thống được mở rộng quy mô (một bể cá 3,000 gallon và hai luống trồng cây 74 ft2) và được nhân rộng sáu lần, tỷ lệ giữa tỷ lệ thả cá và diện tích trồng cây được chứng minh là không chính xác, với quá nhiều nitơ và các chất dinh dưỡng tích tụ khác, và cây trồng không có đủ để hấp thụ chất các dinh dưỡng.

Một thử nghiệm đã được thực hiện trong sáu hệ thống để xác định tỷ lệ cho ăn tối ưu (tức là lượng thức ăn cho cá trên mỗi khu vực trồng cây mỗi ngày) là 60 gam thức ăn đầu vào trên mỗi mét vuông diện tích cây trồng. Tỷ lệ này là tỷ lệ lý tưởng để ngăn ngừa sự tích tụ chất dinh dưỡng hoặc sự thiếu hụt chất dinh dưỡng và được sử dụng trong suốt quá trình phát triển các hệ thống trong tương lai tại UVI.

Hệ thống thử nghiệm này sau đó đã được mở rộng lên quy mô thương mại trong một khu vực bao gồm bốn bể ương cá (mỗi bể rộng 2,060 gallon) và sáu luống trồng trọt (mỗi luống rộng 384 feet vuông). Việc sản xuất được sắp xếp xen kẽ, cứ sáu tuần lại có một bể được thu hoạch và thả nuôi lại.

Thời gian tăng trưởng dành cho mỗi bể là 24 tuần. Việc sản xuất rau diếp và các loại rau lá xanh khác cũng bị xáo trộn như vậy, do đó có 25% số cây trồng được thu hoạch mỗi tuần. Thời gian sinh trưởng của cây rau diếp non là bốn tuần. Bằng cách sản xuất cá và cây trồng xen kẽ, lượng chất dinh dưỡng đầu vào từ thức ăn của cá và sự hấp thụ dinh dưỡng của cây trồng là tương đối ổn định. Hệ thống này cho phép thu hoạch cũng như buôn bán cá và cây trồng liên tục.

Cuộc điều tra về khả năng thương mại

Khi những vấn đề này đã được giải quyết thì bước tiếp theo là thiết lập một thị trường để hệ thống này có thể trở nên khả thi về mặt thương mại. Khi được hỏi về vấn đề này, tiến sĩ Rakocy đã liên kết đến sự cần thiết của hai yếu tố quan trọng:

1) Hệ thống aquaponics phải rộng lớn (khoảng 1 héc-ta) để thu được lợi nhuận từ quy mô kinh tế.

1. Hệ thống aquaponics nên được đặt gần thị trường lớn để các sản phẩm thu hoạch có thể được bán trực tiếp cho người tiêu dùng, tăng tiềm năng lợi nhuận bằng cách loại bỏ nhu cầu phân phối bán buôn.

2. Tiến sĩ Rakocy đã phát biểu rằng các hoạt động aquaponic khả thi về mặt thương mại hiện nay (chẳng hạn như Superior Fresh) đang thành công vì cơ sở rộng lớn và thực sự nằm gần thị trường lớn, sử dụng rau diếp làm loại cây trồng và tăng giá trị bằng cách bán chúng dưới dạng sản phẩm được cắt hái và đóng gói. Hơn nữa, nên sử dụng các loại rau xanh rậm lá vì chúng là thành phần có lợi nhất trong hệ thống aquaponics với tỷ lệ doanh thu cao, được thu hoạch hàng tháng cũng như được tiêu thụ rộng rãi trên thị trường. Các loại cây trồng có lợi nhuận bổ sung được sử dụng trong hệ thống aquaponics bao gồm các loại thảo mộc chẳng hạn như húng quế, chúng sinh trưởng nhanh và có thể được thu hoạch từng phần để cung cấp liên tục cho thị trường.

3. Đối với sản xuất thương mại, tiến sĩ Rakocy cho biết có nhiều hệ thống tăng cường an toàn sinh học vì chúng có thể chứa bất kỳ vấn đề bệnh học nào. Bằng cách sản xuất tất cả cá giống cá rô phi cần thiết và trồng cây giống tại chỗ, dịch bệnh từ các trại giống và vườn ươm có thể được loại trừ, khiến cho hệ thống aquaponics trở nên bền vững hơn.

Cây húng quế đã sẵn sàng thu hoạch. Ảnh: Tiến sĩ J Rakocy

Một ưu điểm khác của hệ thống aquaponics tại UVI là lượng nước thay thế ít hơn 1% lượng nước đầu vào mỗi ngày. Điều này có nghĩa là hệ thống duy trì hàm lượng chất hữu cơ hòa tan và chất hữu cơ dạng hạt thấp, cân đối, mang lại lợi ích bổ sung là tạo ra những cây trồng rất khỏe mạnh, sinh trưởng nhanh hơn và kháng bệnh.

Cây trồng trong hệ thống Aquaponic có khả năng chống chịu sâu bệnh tốt hơn so với thực vật trong hệ thống thủy canh (không nhận được lợi ích của các hợp chất hữu cơ và chỉ dựa vào các chất dinh dưỡng vô cơ). Hệ thống thủy canh tạo ra cây trồng thường bị căng thẳng hơn, điều này tạo ra hàm lượng đường cao hơn trong lá cây, do đó thu hút sâu bệnh. Hệ thống thủy canh cũng có nhược điểm là phát triển các nồng độ dinh dưỡng không cân bằng, như vậy đòi hỏi phải điều chỉnh liên tục.

Cuối cùng, giải pháp thủy canh cần được loại bỏ và thay thế bằng các giải pháp dinh dưỡng mới. Ngược lại, một khi hệ thống aquaponic được thiết lập thì chúng trở nên đủ ổn định đến mức không cần thiết phải đo chất dinh dưỡng thường xuyên.

Nhìn về tương lai

Tiến sĩ Rakocy lưu ý rằng nghiên cứu về aquaponics hiện đang được thực hiện ở nhiều quốc gia. Các phương pháp tiếp cận mới đang được nghiên cứu cũng như việc sử dụng các loài cá và thực vật có giá trị cao khác nhau.

Ngoài việc mở rộng các hoạt động thương mại, aquaponics hiện đang rất phổ biến với sở thích của những người nông dân, những người đang sản xuất nhiều loại cây và cá trong nhiều hệ thống thiết kế sử dụng vật liệu sẵn có tại địa phương và các phương pháp xây dựng mới. Theo tiến sĩ Rakocy, dựa vào sự quan tâm rộng rãi đến hệ thống aquaponics thì tương lai của nó có vẻ tươi sáng.