Sử dụng CO2 trong nhà kính giúp tăng năng suất cây trồng lên tới 30%

30/12/2022

Hầu hết chúng ta đều biết rằng thực vật hấp thụ CO2 và tạo ra Oxy. Nhưng bạn đã bao giờ nghĩ đến việc thúc đẩy sự phát triển của cây trồng bằng một lượng CO2 bổ sung chưa? Hãy cùng khí công nghiệp Hỷ Vân đi tìm hiểu bằng cách nào mà việc bổ sung thêm một lượng CO2 trong nhà kính có thể giúp tăng năng suất cây trồng lên tới 30%.

 

1. Thực vật sử dụng CO2 trong quá trình quang hợp

Lượng Carbon dioxide hiện chiếm khoảng 0,04% hay 400 ppm (400 phần triệu) thể tích khí quyển. Nó là loại khí không màu, không mùi, nhưng có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống.

Quang hợp là quá trình phản ứng hóa học giữa nước và carbon dioxide (CO2) cùng với sự hiện diện của ánh sáng để tạo ra chất dinh dưỡng (đường) cho thực vật. Thực vật hấp thụ CO2 thông qua các lỗ tế bào nhỏ trong lá gọi là khí khổng. Quá trình quang hợp diễn ra vào ban ngày, giải phóng oxy vào trong khí quyển như một sản phẩm phụ.

Vào ban đêm, khi không còn ánh sáng mặt trời, thực vật ngừng quá trình quang hợp để chuyển sang thực hiện quá trình hô hấp. Trong quá trình hô hấp lượng đường dự trữ trong thực vật được oxy hóa để tạo ra năng lượng và CO2. Thực vật lấy oxy (O2) và thải ra CO2, bổ sung cho quá trình quang hợp khi thực vật hấp thụ CO2 và thải ra O2 . Lượng CO2 sinh ra trong quá trình hô hấp luôn nhỏ hơn lượng CO2 lấy vào trong quá trình quang hợp. Vì vậy, thực vật luôn trong tình trạng thiếu CO2 làm hạn chế khả năng sinh trưởng của chúng.

Thực vật quang hợp vào ban ngày và hô hấp vào ban đêm
Thực vật quang hợp vào ban ngày và hô hấp vào ban đêm

2. Nồng độ CO2 liên quan đến sự phát triển của thực vật

Mặc dù các điều kiện khí quyển và môi trường như ánh sáng, nước, dinh dưỡng, độ ẩm nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tốc độ sử dụng CO2 của thực vật, nhưng lượng CO2 trong khí quyển có ảnh hưởng lớn hơn. Nồng độ CO2 trong tự nhiên không đồng nhất ở mọi nơi, nó thay đổi phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, hoạt động ủ phân, đốt cháy và các hoạt động sản xuất công nghiệp tạo ra CO2 của con người.

Trong môi trường tự nhiên, nồng độ CO2 ở mức 400 ppm đủ để duy trì sự phát triển của cây. Tuy nhiên, trong môi trường khép kín như nhà kính khi nhiều cây trồng được đặt gần nhau hơn thì mọi thứ có thể trở nên hơi đông đúc và lượng carbon dioxide sẽ sớm bắt đầu giảm xuống. Ngoài ra trong nhà kính nồng độ này thường thấp hơn nhiều so với môi trường xung quanh vào ban ngày và cao hơn nhiều vào ban đêm. Vào ban ngày, khi thực vật sử dụng CO2 để quang hợp, lượng CO2 có thể giảm xuống 150 đến 200 ppm trong nhà kính kín. Vào ban đêm, do hoạt động hô hấp của thực vật và vi sinh vật khiến lượng CO2 tăng cao hơn.

Lượng CO2 thấp hơn dù chỉ trong một thời gian ngắn có thể làm giảm tốc độ quang hợp và tăng trưởng của thực vật. Nói chung, tăng gấp đôi lượng CO2 (tức là 700 đến 800 ppm) có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể và có thể nhìn thấy được về năng suất cây trồng. Các loài thực vật 2 lá mầm tạo ra hợp chất 3 carbon là sản phẩm đầu tiên trong quá trình quang hợp của chúng, do đó được gọi là thực vật C3. Tương tự các loài thực vật như hầu hết các loại cỏ tạo ra hợp chất 4 carbon là sản phẩm đầu tiên trong quá trình quang hợp được gọi là thực vật C4. Thực vật C3 có phản ứng với CO2 nhanh hơn so với thực vật C4. Việc tăng nồng độ CO2 lên mức 800 – 1000 ppm có thể tăng năng suất của cây trồng C3 lên tới từ 40% đến 100% và cây trồng C4 từ 10% đến 25% trong khi vẫn giữ các yếu tố đầu vào khác ở mức tối ưu.

Tuy nhiên không phải lượng CO2 càng cao càng có lợi cho cây trồng. Qua nghiên cứu cho thấy thực vật có phản ứng tích cực với lượng CO2 trong khoảng từ 700 ppm đến 1800 ppm. Vượt quá ngưỡng 1800 ppm sẽ bắt đầu gây hại cho cây trồng.

Biểu đồ mối quan hệ giữa nồng độ CO2 và tốc độ sinh trưởng của cây trồng
Biểu đồ mối quan hệ giữa nồng độ CO2 và tốc độ sinh trưởng của cây trồng

3. Lợi ích của việc bổ sung CO2 cho nhà kính

Mặc dù lợi ích của việc tăng cao nồng độ CO2 đã được công nhận từ đầu thế kỷ 19 với những phương pháp thủ công như ủ phân, đốt củi … để giúp tăng khả năng quang hợp cho cây trồng. Nhưng sự phát triển của ngành công nghiệp nhà kính và làm vườn trong nhà kể từ những năm 1970 đã làm tăng đáng kể nhu cầu bổ sung CO2. Ngành công nghiệp nhà kính đã phát triển với các ứng dụng công nghệ cao và tự động hóa. Với sự phát triển của hệ thống chiếu sáng cải tiến, kiểm soát môi trường và cân bằng chất dinh dưỡng, lượng CO2 chính là yếu tố giới hạn duy nhất ảnh hưởng tới sự phát triển tối đa của thực vật. Do đó, giữ cho các điều kiện sinh trưởng khác ở điều kiện lý tưởng thì việc bổ sung CO2 có thể cải thiện sự phát triển của cây trồng. Điều này còn được gọi là “làm giàu CO2“. Ngoài ra ở nồng độ rất cao, gấp 100 lần nồng độ trong khí quyển, hoặc cao hơn, carbon dioxide có thể gây độc cho động vật, vì vậy việc tăng nồng độ lên 10.000 ppm (1%) hoặc cao hơn trong vài giờ sẽ loại bỏ được các loài gây hại trong nhà kính.

Lợi ích

    • Tăng quang hợp dẫn đến tăng tốc độ tăng trưởng và sản xuất sinh khối.
    • Cây trưởng thành sớm hơn và có thể thu hoạch nhiều vụ hơn hàng năm.
    • Việc giảm thời gian trưởng thành có thể giúp tiết kiệm chi phí nhiệt và phân bón.
    • Trong trồng hoa, bổ sung CO2 làm tăng số lượng và kích thước hoa, giúp tạo ra sản phẩm chất lượng cao hơn với sản lượng nhiều hơn, nâng cao hiệu quả kinh tế.
    • Một số phương pháp bổ sung CO2 có thể cung cấp nhiệt bổ sung, giúp giảm chi phí sưởi ấm vào mùa đông.
    • Giúp giảm thoát hơi nước và tăng hiệu quả sử dụng nước, dẫn đến giảm sử dụng nước trong quá trình nuôi trồng.
    • Diệt sâu bệnh và các loài gây hại cho cây trồng mà không cần sử dụng thuốc.

Nhược điểm

    • Chi phí sản xuất cao hơn do việc đầu tư hệ thống bổ sung CO2 và cải tạo nhà kính để duy trì mức CO2 mong muốn.
    • Thực vật có thể không phản ứng tích cực với CO2 bổ sung do các yếu tố hạn chế khác như chất dinh dưỡng, nước và ánh sáng. Vì vậy tất cả các yếu tố cần phải được kiểm soát và điều chỉnh ở mức tối ưu.
    • Mức CO2 dư thừa có thể gây độc cho thực vật cũng như con người.

4. Thời điểm cần bổ sung CO2 trong nhà kính

Thời điểm, thời gian và nồng độ quyết định hiệu quả của việc bổ sung CO2. Vào mùa thu đến đầu mùa xuân, thực vật thường phát triển chậm hơn, không đáp ứng được tốc độ tăng trưởng cần thiết với người trồng. Lúc này việc bổ sung CO2 sẽ rất có lợi. Vào thời điểm đó trong năm, các lỗ thông hơi trong nhà kính thường được đóng hầu hết thời gian, hạn chế lượng CO2 có sẵn từ tự nhiên. Bổ sung CO2 từ 1 đến 2 giờ sau khi mặt trời mọc và dừng lại từ 2 đến 3 giờ trước khi mặt trời lặn là khoảng thời gian bổ sung lý tưởng. Thực vật bắt đầu hoạt động quang hợp từ 1 đến 2 giờ sau khi mặt trời mọc và đạt cực đại vào lúc 2h đến 3h chiều, sau đó tốc độ quang hợp sẽ giảm dần.

Tuy nhiên, các loại rau ăn lá và rau trong hệ thống thủy canh có thể được bổ sung CO2 và hệ thống chiếu sáng 24/24 để đạt được tốc độ tăng trưởng tối ưu.

Bổ sung CO2 khi cây trồng còn nhỏ giúp giảm số ngày trưởng thành và cây có thể được thu hoạch sớm hơn. Cây non phản ứng nhanh hơn với CO2 bổ sung so với cây trưởng thành. Cây con được bổ sung CO2 trong nhà kính sẽ sẵn sàng để cấy sớm hơn một hoặc hai tuần.

5. Ảnh hưởng của việc bổ sung CO2 đến các yếu tố sinh trưởng khác

Việc bổ sung CO2 có mối quan hệ chặt chẽ với những yếu tố sinh trưởng khác của cây trồng. Tất cả các yếu tố này cần phải được kiểm soát và điều chỉnh ở mức độ phù hợp để viêc bổ sung CO2 đạt hiệu quả tối ưu.

CO2 – Ánh Sáng

Tốc độ quang hợp sẽ không thể tăng thêm khi cây trồng đạt tới điểm bão hòa ánh sáng, đây là lượng ánh sáng tối đa mà cây có thể sử dụng. Việc bổ sung CO2 sẽ cần tăng cường độ ánh sáng cần thiết để đạt được điểm bão hòa ánh sáng, do đó làm tăng tốc độ quang hợp. Hầu hết vào mùa đông, quá trình quang hợp bị hạn chế bởi cường độ ánh sáng thấp. Một hệ thống chiếu sáng bổ sung sẽ nâng cao hiệu quả của CO2 và tăng tốc độ quang hợp giúp cây trồng tăng trưởng nhanh hơn. Do đó, bổ sung CO2 kết hợp với chiếu sáng bổ sung có thể làm giảm số ngày cần thiết cho sản xuất cây trồng.

CO2 – Nước

Bổ sung CO2 tác động đến sinh lý của cây trồng thông qua quá trình điều hòa khí khổng. Lượng CO2 tăng cao thúc đẩy quá trình đóng một phần tế bào khí khổng và làm giảm độ dẫn của khí khổng. Độ dẫn của khí khổng liên quan đến tỷ lệ CO2 thu vào và thoát ra cùng với hơi nước từ tế bào khí khổng của lá. Do giảm độ dẫn của khí khổng, nên sự thoát hơi nước được giảm thiểu và dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng nước của cây trồng. Độ dẫn khí khổng thấp hơn, giảm thoát hơi nước, tăng cường quang hợp giúp cây trồng hoạt động hiệu quả hơn trong điều kiện thiếu nước. Vì vậy bổ sung CO2 làm giảm nhu cầu nước và bảo tồn nước trong điều kiện khan hiếm nước.

CO2 – Nhiệt độ

Nhiệt độ đóng một vai trò lớn trong tốc độ tăng trưởng của thực vật. Hầu hết các quá trình sinh học đều tăng lên khi nhiệt độ tăng, và điều này cũng đúng với tốc độ quang hợp. Nhưng nhiệt độ tối ưu để quang hợp tối đa phụ thuộc vào lượng CO2 hiện có. Lượng CO2 khả dụng càng cao thì yêu cầu về nhiệt độ tối ưu của cây trồng càng cao. Trong nhà kính được bổ sung CO2, có thể quan sát thấy sự phát triển của thực vật gia tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng. CO2 bổ sung làm tăng yêu cầu về nhiệt độ tối ưu của cây trồng. Điều này giúp tăng sản lượng ngay cả trong điều kiện thời tiết nắng nóng, nhiệt độ tăng cao.

Mối quan hệ giữa nhiệt độ lá và tốc độ quang hợp trong điều kiện thường và điều kiện bổ sung CO2
Mối quan hệ giữa nhiệt độ lá và tốc độ quang hợp trong điều kiện thường và điều kiện bổ sung CO2

CO2 – Dinh Dưỡng

Tác dụng chính của việc bổ sung CO2 là gia tăng sự phát triển nhanh chóng của cây trồng. Sự phát triển của hệ thống rễ và chồi được tăng cường, cho phép cây trồng hấp thụ nhiều chất dinh dưỡng hơn từ đất. Vì vậy nên tăng tỷ lệ phân bón khi tăng lượng CO2. Tỷ lệ phân bón bình thường có thể cạn kiệt nhanh chóng và cây trồng có thể xuất hiện một số triệu chứng thiếu chất dinh dưỡng. Mặc dù hiện tại không có khuyến nghị nghiêm ngặt về chất dinh dưỡng cho các loại cây trồng khác nhau ở các mức CO2 khác nhau, nhưng nhìn chung nhu cầu dinh dưỡng tăng lên khi mức CO2 tăng. Mặt khác, các chất dinh dưỡng vi mô sẽ bị cạn kiệt nhanh hơn chất dinh dưỡng đa lượng. Một số nghiên cứu đã báo cáo hàm lượng kẽm và sắt thấp trong cây trồng được bổ sung lượng CO2 cao. Sự giảm thoát hơi nước và độ dẫn khí khổng khi bổ sung CO2 có thể ảnh hưởng đến sự hấp thu canxi và boron, điều này cần được bù đắp thông qua việc bổ sung các chất dinh dưỡng.

6. Các nguồn bổ sung Carbon Dioxide cho nhà kính

Nên bổ sung cacbonic cho nhà kính ở dạng tinh khiết. Hỗn hợp khí CO2 chứa các tạp chất carbon monoxide, ozone, nitrogen oxide, ethylene và lưu huỳnh có thể gây hại cho cây trồng. Carbon monoxide không được vượt quá 50 ppm, nếu không sẽ khiến việc bổ sung CO2 có hại hơn là có lợi. Có nhiều phương pháp khác nhau để bổ sung CO2 cho nhà kính, một số phương pháp được liệt kê dưới đây.

CO2 tự nhiên

Carbon dioxide do thực vật tạo ra vào ban đêm sẽ được chúng sử dụng để quang hợp và cạn kiệt trong vòng vài giờ sau khi mặt trời mọc. Do đó sử dụng hệ thống thông gió với quạt thổi gió ngang ngay phía trên thực vật có thể giúp phân phối lượng CO2 có sẵn. Nhưng vào mùa đông, điều kiện khí hậu khắc nghiệt không ủng hộ phương pháp này và cần phải có thêm nguồn CO2 bổ sung. Một cách tự nhiên khác giúp tăng CO2 trong nhà kính là thông qua quá trình hô hấp của con người. Những người làm việc trong nhà kính để cắt tỉa, tưới tiêu và các hoạt động khác có thể làm tăng lượng CO2. Tuy nhiên nguồn bổ sung CO2 tự nhiên này không đáng kể để tăng sản lượng cây trồng.

Phương pháp hóa học

Phản ứng hóa học của baking soda với axit (chủ yếu là axit axetic) có thể tạo ra CO2, nhưng cần một lượng nguyên liệu lớn để tạo ra đủ lượng CO2 cần thiết. Không những thế phản ứng cần thời gian dài để tạo đủ CO2 và khó kiểm soát nồng độ CO2. Đây được coi là một phương pháp đắt tiền và không hiệu quả.

Phân hủy và lên men

Chất hữu cơ bị vi sinh vật phân hủy sinh ra khí CO2 . Phương pháp này có thể tận dụng chất thải hữu cơ để tạo ra CO2 bổ sung sau đó có thể được sử dụng làm phân trộn. Mặc dù đây là phương pháp rẻ tiền nhưng khó kiểm soát nồng độ CO2 và tạo ra mùi hôi. Ngoài ra, phương pháp này có thể cần nhiều không gian và chất nền hơn để tạo ra đủ lượng CO2 cần thiết.

Carbon dioxide cũng là sản phẩm phụ của quá trình lên men. Sử dụng dung dịch đường và men có thể tạo ra lượng CO2 bổ sung. Một cân đường tạo ra nửa cân etanol và nửa cân CO2. Phương pháp này cung cấp CO2 nhanh hơn phân hủy nhưng có nhược điểm là mùi hôi, khó duy trì nồng độ mong muốn và chiếm không gian lớn hơn.

Khí thải động cơ

Quá trình đốt cháy nhiên liệu thường tạo ra CO2, nhiệt và nước. Các nhà kính có thể sử dụng các loại động cơ để tạo ra khí thải, sau đó đi qua một loạt bộ lọc để tạo ra CO2 tinh khiết. Ưu điểm chính của hệ thống này là nó tạo ra cả nhiệt và điện cùng với CO2. Tuy nhiên, một hệ thống phức tạp như vậy có giá đầu tư quá cao, không những thế giá cả nhiên liệu ngày một tăng cao cũng khiến chi phí vận hành hệ thống trở nên khá tốn kém.

Đá khô

Đá khô là một trong những phương pháp rẻ nhất được những nhà kính quy mô nhỏ áp dụng. Đá khô là trạng thái rắn của CO2 thu được bằng cách giữ CO2 ở nhiệt độ cực thấp – 78 °C. Sử dụng đá khô có thể giúp làm mát một vài độ trong nhà kính vào mùa hè. Đá khô thường được cắt thành từng miếng nhỏ và thay thế sau mỗi 2 giờ để duy trì lượng CO2 mong muốn. Vì đá khô có nhiệt độ cực thấp nên cần được xử lý một cách cẩn thận. Nhược điểm chính của phương pháp này là hạn sử dụng thấp và khó bảo quản ở điều kiện thường. Nếu không được kiểm soát chặt chẽ, sự thăng hoa nhanh chóng của đá khô có thể dẫn đến tăng mức độ CO2 cao hơn 2.000 ppm, điều này có thể hạn chế sự phát triển cũng như có thể gây độc cho thực vật.

Bình khí CO2

Sử dụng các bình khí CO2 là phương pháp làm giàu CO2 phổ biến nhất. CO2 ở dạng lỏng được nén và bốc hơi tạo ra khí CO2 được phân phối qua hệ thống ống dẫn khí trong nhà kính. Hệ thống dẫn khí bằng ống nhựa PVC được đục các lỗ nhỏ giúp CO2 lan rộng và phân phối đều. Để vận hành hệ thống bổ sung CO2 từ bình chứa cần có bộ điều chỉnh áp suất, đồng hồ đo lưu lượng, van điện từ, cảm biến CO2 và bộ hẹn giờ. Một bình CO2 10kg có thể sử dụng trong khoảng 2 tuần đối với một nhà kính diện tích 60 m2 với nồng độ CO2 duy trì ở mức 1200 đến 1500 ppm.

hệ thống phân phối khí trong nhà kính
hệ thống phân phối khí trong nhà kính

7. Hiệu quả kinh tế từ hệ thống bổ sung CO2 trong nhà kính

Việc đầu tư hệ thống bổ sung CO2 trong nhà kính cần một khoản chi phí đầu tư ban đầu khá tốn kém. Vì vậy trước khi đưa ra quyết định có nên đầu tư hệ thống bổ sung khí CO2 trong nhà kính, chắc chắn chúng ta sẽ đặt ra một câu hỏi: liệu điều này có đem lại hiệu quả về kinh tế hay không? Rốt cuộc, nếu sản lượng cây trồng tăng lên không đáng kể, thì việc đầu tư có vẻ là không hợp lý. May mắn thay, đã có một số nghiên cứu thí điểm chỉ ra rằng bằng cách tăng mức CO2 trong nhà kính từ 350 ppm mặc định lên 500 hoặc thậm chí 1000 ppm, sản lượng trong nhiều trường hợp có thể tăng từ 20% đến 30%. Do đó, thời gian hoàn vốn cho loại hình đầu tư này có thể ngắn một cách đáng ngạc nhiên. Và về lâu dài, lợi nhuận sẽ vượt xa số tiền bỏ ra ban đầu.

8. Những lưu ý khi bổ sung CO2 trong nhà kính

    • Không bao giờ cho phép lượng CO2 vượt quá mức cần thiết. Cần có hệ thống cảnh báo khi nồng độ CO2 tăng quá cao. Nồng độ CO2 đạt 2000 ppm sẽ gây hại cho cây trồng, 5000 ppm có thể gây tử vong cho con người.
    • Luôn theo dõi nồng độ CO2 thông qua các cảm biến và điều chỉnh theo mức yêu cầu.
    • Sử dụng dạng CO2 tinh khiết, đồng thời cung cấp đủ oxy để loại bỏ khí độc.
    • CO2 khuếch tán chậm, do đó cần hệ thống lưu thông không khí thích hợp để phân phối CO2 đồng đều tại mọi khu vực. Nếu không có thể dẫn đến sự tăng trưởng không đồng đều.
    • Duy trì những điều kiện phát triển lý tưởng như ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, dinh dưỡng thích hợp để quá trình bổ sung CO2 đạt hiệu quả.
    • Có thể cần bổ sung chất dinh dưỡng vì tốc độ tăng trưởng nhanh của cây trồng.
    • Chọn cây trồng có giá trị cao và xây dựng chiến lược dựa trên phân tích chi phí/lợi nhuận.

9. Tăng lượng CO2 không có lợi cho hệ sinh thái tự nhiên

Việc sử dụng CO2 bổ sung trong nhà kính giúp thúc đẩy tăng trưởng ở cây trồng không có nghĩa rằng nồng độ CO2 tăng cao trong bầu khí quyển của trái đất cũng thúc đẩy sự phát triển của hệ sinh thái tự nhiên. Ngược lại điều này còn gây hại cho môi trường và hệ sinh thái. Lượng CO2 bổ sung chỉ có lợi khi áp dụng trong một không gian khép kín và được kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phát triển khác của cây trồng.

Trong các hệ sinh thái tự nhiên, lượng CO2 không phải là nguồn tài nguyên hạn chế, mà chất dinh dưỡng, nhiệt độ và các biến số khác có khả năng bị hạn chế nhiều hơn. Trong những trường hợp đó, lượng CO2 tăng cao không có tác dụng kích thích tăng trưởng. Ngoài ra việc tăng nồng độ CO2 trong khí quyển gây ra những tác động xấu đối với khí hậu. Sau đó những tác động này sẽ ảnh hưởng ngược lại tới sự phát triển của thực vật như tình trạng stress nhiệt hay hạn hán. Đó là vấn đề lớn đối với sự sống trên hành tinh này.

CO2 thường được thu thập từ hệ thống khí thải của các nhà máy sản xuất công nghiệp. Việc tăng cường sử dụng CO2 cũng chính là góp phần giảm thiểu lượng CO2 phát thải vào môi trường, giúp hạn chế tình trạng nóng lên toàn cầu.

10. Địa chỉ cung cấp CO2 cho nhà kính

Nếu bạn là người quản lý nhà kính đang có nhu cầu sử dụng CO2 để tăng sản lượng cây trồng hãy liên hệ ngay với khí công nghiệp Hỷ Vân. Chúng tôi sẵn sàng tư vấn và hỗ trợ giao hàng cho bạn nhanh nhất có thể.

Công ty khí công nghiệp Hỷ Vân chuyên cung cấp khí CO2 công nghiệp uy tín hàng đầu, chúng tôi chuyên sản xuất, chiết nạp, bán lẻ khí CO2 tinh khiếtkhí CO2 công nghiệp chất lượng cao.
Quý khách hàng có nhu cầu đặt hàng có thể liên hệ số điện thoại 0969.690.155 để được tư vấn trực tiếp, miễn phí!