Tác động của ánh sáng đối với cây trồng

Ánh sáng là yếu tố quyết định đến sự tồn tại của sự sống trên trái đất, bởi toàn bộ các sản phẩm mà con người đang sử dụng như lương thực, thực phẩm, nhiên liệu, …tất cả đều bắt nguồn từ quang hợp của cây xanh. Quang hợp là một quá trình phức tạp bao gồm chuyển hóa điện tử và chuyển hóa carbon thông qua sự chuyển hóa năng lượng của mặt trời thành năng lượng hóa học trong điều kiện có ánh sáng. Thực nghiệm đã chứng minh ánh sáng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng, thậm chí từ giai đoạn nảy mầm, quá trình phát sinh hình thái đến ra hoa tạo quả, từ đó quyết định đến năng suất và chất lượng của cây trồng. Ánh sáng có vai trò trong việc kiểm soát quá trình phát triển ở thực vật thông qua các các thụ thể quang - photoreceptors (phytochrome, cryptochromes và phototropin) được cung cấp bởi thực vật và chính những photoreceptors sẽ phản ứng với các phổ và cường độ ánh sáng. Cùng với đó, thực vật rất linh hoạt phản ứng với các điều kiện ánh sáng quá thấp hoặc quá cao bằng cách thay đổi cấu trúc và chức năng của lá,... kiểm soát sự hấp thụ ánh sáng hay có những cơ chế bảo vệ đặc hiệu cho quang hợp.

Minh họa điển hình: Một củ khoai tây mọc trong bóng tối sẽ tạo ra một vài chồi, rễ yếu ớt. Đây là những đặc điểm hình thái thích nghi khi phát triển trong bóng tối (úa vàng - etiolation). Sau khi được tiếp xúc ánh sáng, củ khoai tây trải qua quá trình hóa xanh (de-etiolation), vài ngày sau đó chồi, rễ đã phát triển bình thường (Hình 1). Phản ứng của khoai tây với ánh sáng là quá trình xử lý tín hiệu tế bào, trải qua một chuỗi tín hiệu ở các giai đoạn: tiếp nhận tín hiệu, truyền tải tín hiệu và phản hồi.

Với sự phát triển của khoa học nói chung, trong ngành nông nghiệp công nghệ cao thì những kỹ thuật như: nuôi cấy mô, trồng cây trong nhà lưới, nhà kính, trong các plant factory... thì cây giống phải được nhân trồng trong điều kiện bổ sung chiếu sáng nhân tạo là cần thiết. Đặc biệt, nhiều vùng đất có nguồn sáng tự nhiên hay bức xạ mặt trời không đủ để tối ưu hóa sự sinh trưởng của cây trồng và đều cần bổ sung thêm nguồn ánh sáng nhân tạo khác. Nhiều lĩnh vực sản xuất cây ở Việt Nam bắt buộc phải sử dụng các kỹ thuật nuôi cấy mô trong sản xuất các giống cây trồng quý, hiếm (cây hoa, cây lâm nghiệp, cây thuốc). Vì vậy, cần phải có các nguồn sáng chuyên dụng vừa tiết kiệm năng lượng vừa cho kết quả nhân giống và nuôi trồng cây có hiệu quả. Đèn huỳnh trước đây được sử dụng nhiều trong phòng nuôi cấy mô, tuy nhiên đến nay, chúng ta thấy có một số điểm chưa phù hợp cho mục đích chiếu sáng như phổ ánh sáng thích hợp theo mắt người có bước sóng tập trung trong khoảng 500-600nm, trong khi vùng ánh sáng đỏ là vùng diệp lục hấp phụ quan trọng nhất cho quang hợp cây trồng thì vẫn còn hạn hẹp. Bóng đèn huỳnh quang phát sáng phải được thay thế định kỳ, tiêu tốn nhiều điện năng, đồng thời tỏa nhiệt ra môi trường bên ngoài (Tennessen & cs., 1994). Như vậy, hoàn toàn có thể điều khiển các điều kiện về ánh sáng trong nuôi trồng nhân tạo (nuôi cấy mô, nhà kính, nhà lưới hay trên đồng ruộng), để cải thiện chất lượng, năng suất cây trồng.

Ở cây trồng có hai hoạt động quan trọng nhất liên quan đến ánh sáng mà có thể điều khiển để mang lại hiệu quả nhất cho con người đó là điều khiển quá trình quang hợp nhằm tăng năng suất, chất lượng và điều khiển quá trình ra hoa nhằm cho thu hoạch vào lúc có giá trị kinh tế cao nhất. Khi sử dụng ánh sáng nhân tạo để chiếu cho cây với các mục đích khác nhau cần nắm rõ nguyên tắc: sử dụng đúng ánh sáng cho hoạt động cây cần đúng bước sóng (phổ ánh sáng), đúng cường độ (µmol.m-2.s-1) và đúng thời điểm chiếu sáng.

Phần lớn các nghiên cứu trước đây chỉ chủ yếu tập trung vào ảnh hưởng của cường độ ánh sáng khác nhau đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng trong điều kiện ánh sáng mặt trời. Những năm trở lại đây đã có những công bố kết quả nghiên cứu về phổ ánh sáng nhân tạo phù hợp cho cây trồng. Trong đó, đèn huỳnh quang, đèn halogen kim loại và bóng đèn sợi đốt đã được sử dụng làm nguồn ánh sáng nhân tạo chính bổ sung cho cây trồng. Mặc dù các nguồn sáng này làm tăng dòng lượng tử cho quang hợp nhưng chúng không hiệu quả cao về năng lượng. Chất lượng quang phổ có thể ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển cây trồng và các nguồn ánh sáng nói trên không cung cấp quang phổ theo ý muốn. Chất lượng ánh sáng, số lượng ánh sáng và thời lượng chiếu sáng là ba thông số ảnh hưởng đồng thời đến sự phát triển của cây (Ouzounis & cs., 2015). Do đó, nguồn ánh sáng có chất lượng với sự biến đổi năng lượng lớn, khả năng cung cấp và thiết lập quang phổ như yêu cầu sẽ có những giá trị hết sức to lớn. Gần đây, đèn LED (Light Emitting Diode) được xem như một công nghệ mới, nguồn ánh sáng thuộc thế hệ thứ tư với đặc tính quang phổ tốt... và quan trọng là có thể được thiết kế theo đúng chất lượng ánh sáng mà cây cần được xem là một giải pháp khả thi để cải thiện năng suất, chất lượng cây trồng.

Việc sử dụng ánh sáng điều khiển ra hoa cho cây trồng cũng là một việc làm mang lại nhiều hiệu quả. Một trong đối tượng cây trồng đáng ghi nhận là cây Thanh long ( Cây ngày dài). Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu thanh long (pitaya) lớn trên thế giới, sở hữu khoảng 35.000ha tổng diện tích canh tác cho thương mại vào năm 2015. Trong số các vùng chuyên canh nông nghiệp ở nước ta, tỉnh Bình Thuận là vùng có diện tích trồng thanh long lớn nhất với 23.200ha. Trong điều kiện vụ hè (từ tháng 4 đến tháng 9), thời gian chiếu sáng trong ngày dài (đêm ngắn) nên thích hợp cho thanh long ra hoa. Từ tháng 9 đến tháng 3 năm sau, thời gian chiếu sáng trong ngày ngắn (đêm dài) nên cây không ra hoa được. Việc kích thích ra hoa trái vụ cho thanh long đặc biệt quan trọng đối với người nông dân vì Tết Nguyên đán là ngày lễ quan trọng nhất trong văn hóa Việt Nam và có nhu cầu sử dụng sản phẩm trái cây tăng cao, thường rơi vào cuối thời kỳ trái vụ. Điều này khiến thu hoạch trái vụ trở thành nguồn thu nhập chính của nông dân trồng thanh long và đòi hỏi phải sử dụng đèn để kích thích ra hoa trái vụ. Gần đây, đã có những thành công đáng ghi nhận trong việc chế tạo đèn chuyên dụng để điều khiển ra hoa cho cây thanh long. Các tác giả đã xác định được đèn CFL-20WNNR (compact đỏ - được gọi là đèn huỳnh quang compact chuyên dụng) dùng xử lý ra hoa trái vụ cho cây thanh long ruột trắng trồng tại Bình Thuận và thanh long ruột đỏ trồng tại Tây Ninh và Tiền Giang (Hình 2) (Nguyen Quang Thach & cs., 2021; Ngô Minh Dũng, 2020).

Trên nhu cầu của thực tiễn cuộc sống cần được cung cấp một số sản phẩm rau, hoa, quả trái vụ nhưng có chất lượng đã góp phần nâng cao giá trị thương mại và giá trị xuất khẩu. Vì vậy, sử dụng ánh sáng nhân tạo để điều khiển ra hoa kết trái theo ý muốn là điều có ý nghĩa hết sức quan trọng.

Vũ Ngọc Lan