Ngày
nay, nhu cầu nước cho sản xuất và sinh hoạt tăng mạnh cùng với biến đổi khí hậu
ngày càng rõ rệt và khó lường đã gây sức ép thiếu nước rất lớn cho sản xuất
nông nghiệp. Trước bối cảnh đó, các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia (ĐHQG) Hà Nội đã đề xuất hệ thống tưới nước tự động
nhằm tiết kiệm nguồn nước tưới và phân bón mà vẫn tăng năng suất cây trồng.
Nước
giúp cây trồng sinh trưởng, thực hiện các quá trình quang hợp, trao đổi chất,
đóng vai trò quan trọng không thể thay thế với sự phát triển của cây trồng, tuy
nhiên vấn đề đặt ra là lượng nước tưới cho cây bao nhiêu là vừa đủ?
Các hệ
thống cung cấp nước cho cây trồng hiện nay khá đa dạng tùy thuộc vào từng mô
hình và từng loại cây. Chẳng hạn, những thửa ruộng trồng lúa thường được áp
dụng hệ thống kênh mương và bờ ruộng để điều tiết nước mặt ruộng. Phương pháp
này đáp ứng được nhu cầu tưới cho diện tích canh tác lớn, giảm được nhiều chi
phí cho hạ tầng cơ sở, nhưng nhìn chung chỉ thích hợp với quy mô lớn và các
loại cây bán cạn hoặc ngập nước, và thực tế đang gặp rất nhiều khó khăn khi tốn
kém một lượng nước rất lớn do thất thoát trên đường dẫn cũng như do bốc hơi
nước.
Đối
với những thảm thực vật hoặc vườn hoa cây cảnh, người chăm sóc thường sử dụng
phương pháp tưới phun mưa. Đây là phương pháp tưới hiện đại có tác dụng tạo độ
ẩm và làm mát cây, lượng nước tưới được phân bố khá đồng đều, kích thích sinh
trưởng và có thể tiết kiệm khoảng 30-35% so với phương pháp tưới nước vào rãnh.
Tuy nhiên, kinh phí đầu tư cho phương pháp này khá cao, nước dễ bị bốc hơi
trong quá trình phun, mặt đất được làm ẩm làm cho cỏ dại dễ phát triển và đất
sẽ bị nén chặt. Nước đọng lại trên lá có thể gây cản trở quá trình quang hợp,
trao đổi chất, với các loại cây lá, tưới phun rất dễ làm bụi bám vào gây khó
khăn khi sử dụng. Đặc biệt trong những ngày nắng, nước đọng trên lá sẽ làm lá
cây bị héo. Ngoài ra, chất lượng tưới phun mưa còn phụ thuộc vào yếu tố thời
tiết như vận tốc hay hướng gió.
Xuất
phát từ nhu cầu thực tế trên, nhiều hệ thống tưới nước thông minh đã được
nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên, những hệ thống đó vẫn tồn tại nhiều nhược
điểm, chẳng hạn như việc lượng nước cây cần, thời gian sinh trưởng, thu hoạch
cho mỗi loại cây là không giống nhau vì thế hệ thống sẽ gặp khó khăn trong quá
trình phân phối nước sao cho hợp lý với từng loại cây; hoặc hệ thống cung cấp
nước tưới nổi trên mặt đất gây ảnh hưởng đến việc canh tác và độ bền của ống,
đồng thời việc thấm nước từ bề mặt đến rễ cây vẫn gây ra thất thoát một lượng
nước nhất định mà cây trồng không hấp thụ được.
Với
mong muốn khắc phục những nhược điểm trên, TS Lê Quang Thảo, giảng viên khoa
Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội cùng các cộng sự đã tiến hành
nghiên cứu để tìm ra một giải pháp kết hợp ứng dụng những công nghệ mới phục vụ
việc tưới nước ngầm trực tiếp đến khu vực rễ cây, đồng thời kết hợp bón phân
vào nước tưới một cách tự động nhằm tiết kiệm nguồn nước tưới, giảm sức lao
động và quá trình bón phân cho cây trồng.
Hệ
thống tưới ngầm kết hợp bón phân tự động theo giải pháp này có thể tính toán
chính xác lượng nước bốc hơi khỏi mặt đất và lượng nước trong đất xem có đủ để
duy trì cho cây trồng có thể sinh trưởng và phát triển hay không, các thông tin
này được truyền về khối xử lý trung tâm (xem hình 2, vị trí số 10) để điều
khiển công suất các bộ phận cung cấp, điều tiết nước tưới đồng thời bổ sung
phân bón theo các thời kì sinh trưởng khác nhau của cây một cách tự động hoàn
toàn hoặc người dùng có thể can thiệp thủ công bằng tay.
Bộ
phận cung cấp nước gồm bộ điều khiển tự động để điều khiển máy bơm bơm nước lên
bể chứa nước có tích hợp cảm biến phát hiện mức nước đảm bảo cho nước dự trữ ở
mức độ phù hợp nhất; đi kèm theo là bộ cung cấp nguồn điện bao gồm nguồn năng
lượng từ tấm pin năng lượng mặt trời, pin dự phòng và điện lưới, bộ kiểm soát
năng lượng pin dự phòng và chuyển đổi nguồn điện.
TS Lê
Quang Thảo cũng nhận thấy các ống dẫn nước và các đầu xả tưới được đặt ngầm
dưới lòng đất đến từng gốc cây có thể giúp kéo dài tuổi thọ của các đường ống,
lượng nước tưới đều phía dưới sẽ giúp cho rễ cây hấp thụ tốt hơn lượng nước và
phân bón, không gây ô nhiễm môi trường phía trên mặt đất cũng như không làm ảnh
hưởng đến quá trình canh tác phía trên.
Ngoài
ra, nhóm nghiên cứu còn tìm ra một hướng đi mới: kết hợp bổ sung phân bón vào
nước tưới giúp cây hấp thụ nhanh hơn, tránh lãng phí và không gây ô nhiễm so
với bón trên mặt đất, đồng thời tiết kiệm sức lao động. Bộ điều khiển bón phân
gồm bình trộn có cảm biến phát hiện phân bón (vị trí số 20) để chứa phân bón bổ
sung vào nước tưới, bộ điều khiển van điện xả nước vào bình trộn phân bón (vị
trí số 18) để hòa tan phân bón vào nước tưới; trước khi dung dịch phân bón đi
vào bộ hòa tan dung dịch phân bón và nước tưới (vị trí số 21) sẽ được màng lọc
giữ lại rác và lá cây nhằm hạn chế việc gây tắc ống dẫn nước chính, nước tưới
có phân bón sẽ được dẫn đến các ống thứ cấp (vị trí số 9) đưa đến các ống dẫn
quanh gốc cây (vị trí số 7); và các đầu xả nhỏ giọt ngầm dưới lòng đất (vị trí
số 8).
Hiện
nay, hệ thống tưới ngầm kết hợp bón phân tự động theo giải pháp hữu ích có thể
được ứng dụng để chăm sóc cây ở các địa hình khác nhau: cỏ ở sân đá bóng; các
vùng đất dốc, ruộng bậc thang; tưới cây công cộng ở các thành phố; phun thuốc
diệt cỏ cho các nông trường trồng cây ăn quả…
Nghiên
cứu này khởi động từ năm 2017 và đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ Khoa học và
Công nghệ) cấp bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0002107 công bố ngày
25/9/2019.