HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH DỊCH VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP - BỘ MÔN KIẾN TRÚC CÔNG NGHIỆP - ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Ngày 20/11/2018
Mô hình nhà máy trồng trọt tại Nhật Bản– Mô hình hiệu quả trong phát triển đô thị và nông thôn bền vững
22/06/2016
Nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao là một xu hướng ngày càng lan rộng và đóng góp hiệu quả vào quá trình phát triển nông nghiệp bền vững cũng như mang lại sản phẩm chất lượng cao với năng suất cao. Ở thế kỷ 21, ngành công nghiệp thực phẩm có sự thay đổi cách mạng khi việc nuôi trồng được tiến hành hoàn toàn trong nhà có cửa sổ với ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, dinh dưỡng và chất lượng không khí được kiểm soát hoàn toàn.

Nhật Bản là một nước đi đầu trong xu hướng này với số lượng nhà máy trồng trọt ngày càng tăng cộng với sản lượng, chất lượng và số lượng cũng tăng nhanh báo hiệu một xu hướng nông nghiệp đô thị và ven đô thị có bước tiến mới. Không cần quá nhiều diện tích mặt bằng hoặc có thể tận dụng các công trình cũ, các nhà kho, các nhà máy sản xuất công nghiệp hay các khu công nghiệp không còn hoạt động là ưu điểm lớn của loại hình này. Các nhà máy trồng rau này tại Nhật Bản được xây dựng mới hoặc tái sử dụng công trình trong đô thị, ven đô thị hoặc ở khu vực nông thôn xa xôi và nơi đã từng xảy ra thảm họa.
 
Bối cảnh ra đời của mô hình nhà máy trồng trọt tại Nhật Bản
 
Nhật Bản là một đất nước có nền nông nghiệp phát triển mạnh mẽ song song với sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật. Là một đất nước có đặc điểm dân số lão hóa tăng, đặc biệt là ở các khu vực đô thị, tổng dân số đạt đỉnh 127.840.000 năm 2004 và có xu hướng giảm gần 26% xuống còn 95.150.000 vào năm 2050, nông dân cao tuổi (sáu mươi lăm tuổi trở lên) chiếm khoảng 34% dân số nông nghiệp trong năm 2011. Như vậy, có thể thấy xu hướng lực lượng lao động Nhật Bản sẽ thu hẹp lại bởi vì tỷ lệ sinh rất thấp và chính sách nhập cư nghiêm ngặt. Nông nghiệp Nhật Bản phải đối mặt với một loạt các vấn đề như sự suy giảm về nhân lực, về số lượng trang trại do nhập khẩu các sản phẩm nông nghiệp giá thấp từ nước ngoài, diện tích đất nông nghiệp không sử dụng tăng, tổng sản lượng nông nghiệp giảm. 
Để giải quyết tình trạng này, chính phủ Nhật Bản nỗ lực tiến hành xây dựng liên kết giữa nông nghiệp, thương mại và sản xuất, khuyến khích các doanh nghiệp mới chuyển sang phát triển sản xuất nông nghiệp, phát triển các mặt hàng chế biến mới trong nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản. Ngành nông nghiệp của Nhật đã từng bước nghiên cứu và phát triển các công nghệ để nâng cao năng suất cây trồng trong điều kiện nhân công lao động giảm dần mà vẫn đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ thực phẩm, nông sản của người dân nội địa.
Khởi đầu là phòng thí nghiệm Nghiên cứu Trung ương của Hitachi, là nơi đầu tiên ở Nhật Bản nghiên cứu và phát triển mô hình Nhà máy trồng trọt vào năm 1974. Phòng thí nghiệp này đã tiến hành nghiên cứu trồng nhiều loại rau xà lách và tích lũy số liệu tăng trưởng chi tiết dựa trên các mối quan hệ giữa khí hậu và tăng trưởng thực vật. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng sản xuất hàng loạt và tiêu chuẩn hóa là hoàn toàn có thể làm được. Và đây chính là sự hình thành thế hệ nhà máy trồng rau đầu tiên ở Nhật Bản.
Tuy nhiên, sự bùng nổ thoáng qua của các nhà máy trồng trọt kết thúc ngay sau đó. Năm 2008, Bộ Nông nghiệp, Lâm nghiệp và Thủy sản (MAFF) và Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) Nhật lập Nhóm công tác Thương mại - Nông nghiệp về nhà máy trồng trọt, thu hút nhiều sự quan tâm từ chính phủ, các tổ chức địa phương và các công ty. Điều này cũng dẫn đến những nỗ lực phát triển, được biết đến ngày nay là nhà máy trồng rau thế hệ thứ ba bùng nổ.
 
Mô hình nhà máy trồng trọt
 
Nhà máy trồng trọt là tên được đặt cho một hệ thống sản xuất thân thiện môi trường phát triển để chuyển đổi canh tác thông thường nhằm đạt được một nguồn cung cấp ổn định các loại cây trồng trong suốt cả năm và sử dụng CNTT công nghệ trong quá trình này.
Các nhà máy trồng trọt đảm bảo sản xuất ổn định các loại rau củ chất lượng cao quanh năm bằng cách kiểm soát nhân tạo môi trường canh tác với ánh sáng tự nhiên hoặc nhân tạo, nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ carbon dioxide, cho phép người trồng lên kế hoạch sản xuất trong năm với môi trường lý tưởng nhất mà không bị ảnh hưởng bởi thời tiết.
Bằng cách kiểm soát môi trường nội bộ, nhà máy trồng trọt có thể sản xuất rau quả với thời gian nhanh hơn so với trồng ngoài trời điển hình về 2-4 lần, với năng suất có thể lên đến 100 lần. Thêm vào đó, nhiều hệ thống kệ trồng trọt được sử dụng để sản xuất hàng loạt các loại rau trong một không gian nhỏ là rất hiệu quả.
 
Các loại nhà máy trồng trọt thế kỷ 21
 
Có hai loại chủ yếu của nhà máy trồng trọt:
- Loại 1: là Mô hình nhà máy trồng trọt hoàn toàn sử dụng ánh sáng nhân tạo là những nhà máy nhà máy trồng rau trong môi trường khép kín mà không sử dụng ánh sáng mặt trời. Loại này hoàn toàn kiểm soát được sản xuất trong một tòa nhà hoặc nhà máy với môi trường điều khiển nhân tạo.


Sơ đồ công nghệ trồng trọt sử dụng ánh sáng nhân tạo


Mô hình nhà máy trồng trọt hoàn toàn sử dụng ánh sáng nhân tạo.


Canh tác trong nhà máy
 
Mô hình nhà máy trồng trọt có xu hướng tăng nhanh tại Nhật Bản, đặc biệt mô hình trồng trọt theo chiều đứng (vertical farming). Theo nghiên cứu và đánh giá của GS Tozai Đại học Chiba trồng rau theo chiều đứng trong nhà máy trồng trọt đạt năng suất sản xuất hàng năm là cao hơn 100 - 200 lần so với trồng trọt ngoài cánh đồng (Sản lượng hàng năm là 2500 cây rau/m2, giá trị đạt 2500 US$/m2).


Biểu đồ tăng năng suất  hàng năm tại nhà máy trồng trọt theo chiều đứng (vertical farming) tại Nhật Bản so với trồng trọt ngoài cánh đồng
 
Là một trong những công ty hàng đầu về nhà máy rau tại Nhật Bản, Công ty Spread Co., Ltd tại Kyoto đã nghiên cứu, sản xuất ứng dụng mô hình nhà máy rau (Vegetable factory) trong đó Nhà máy rau được định nghĩa là "Nhà máy rau" được định nghĩa như là một nhà máy sản xuất rau an toàn quanh năm không có sử dụng thuốc trừ sâu, sử dụng ánh sáng nhân tạo thay vì ánh sáng mặt trời tự nhiên như một nguồn ánh sáng, trong một căn phòng sạch với môi trường được kiểm soát một cách nhân tạo. Nhà máy rau Spread sử dụng canh tác theo chiều dọc, là một phương pháp của nông nghiệp đô thị trồng sản phẩm trong các giá xếp thẳng đứng trong nhà và sử dụng ánh sáng LED.
Nhà máy của công ty Spead đầu tiên được xây dựng năm 2006 trên diện tích 4780 m2 và có diện tích trồng trọt lên đến 25.200 m2 với sản lượng 21000 cây rau mỗi ngày, tương đương 7,6 triệu cây rau/năm, 730 tấn/năm chỉ với 50 nông dân và bán trong 2000 cửa hàng trên khắp Nhật Bản.


Nhà máy trồng rau Kameoka Plant ở Kyoto


Bên trong khu vực sản xuất với công suất 21000 cây rau mỗi ngày
 
Với tham vọng gia tăng sản lượng và chất lượng sản phẩm cũng như nâng cao ý thức về sản xuất nông nghiệp bền vững, nhà máy rau thế hệ mới – Kizugawa Plant - dự kiến sẽ hoạt động vào năm 2017 - đã ứng dụng nhiều công nghệ mới như trồng tự động (sử dụng robot trong quá trình ươm mầm), hệ thống tái chế nước, đèn LED chuyên dùng cho rau quả tạo ra trong nhà, và một hệ thống điều khiển điều hòa không khí được tạo ra cho nhà máy trồng trọt quy mô lớn đầu tiên của thế giới. Nhà máy được xây dựng trên diện tích 4800 m2 mặt bằng và có diện tích trồng trọt tương đương hoặc lớn nhà máy cũ (25.200m2). Nhà máy rau này được nghiên cứu và thiết lập với mục tiêu cắt giảm đáng kể chi phí như chi phí lao động bằng 50%, chi phí năng lượng bằng 30%, và chi phí xây dựng khoảng 25% so với các nhà máy thế hệ trước.
 
Bảng so sánh hiệu quả nhà máy trồng rau thế hệ cũ và mới nhất

Nguồn: trang web Bộ Nông Nghiệp Nhật Bản : http://www.meti.go.jp/english/policy/
Trang Web công ty: http://spread.co.jp/en/vegetable-factory/


- Loại 2 là mô hình nhà máy trồng trọt phụ thuộc chủ yếu vào ánh sáng mặt trời tự nhiênđể trồng rau trong nhà kính (greenhouse), chỉ sử dụng ánh sáng nhân tạo như là một nguồn ánh sáng và điều hòa không khí phụ trợ trong mùa hè (bao gồm sử dụng cả ánh sáng mặt trời và ánh sáng nhân tạo trong các kết hợp khác nhau).


Sơ đồ công nghệ nhà máy trồng rau phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời


Bên trong nhà máy trồng rau phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời

 
Nhà kính dùng ánh sáng mặt trời tự nhiên để trồng trọt đã được sử dụng từ khá lâu trong nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao tại Nhật Bản từ năm 1970 hoặc sớm hơn, năm 1979 khi Kodama và Fukui công bố báo cáo chính thức đầu tiên. Năm 1985, 30 000 ha và 3000 ha nhà kính nhựa được sử dụng cho rau quả và hoa. Mặc dù phát triển lâu như vậy, nhưng chỉ cho đến khi công trình vòm Granpa (Granpa Dome) của công ty Granpa ra đời cho thấy rõ đây là loại hình mang tính ưu thế vượt trội so với thế hệ nhà kính trước đây.
Granpa bắt đầu trồng thủy canh rau vào năm 2006 sử dụng nhà kính hiệu suất cao. Công ty đã sử dụng nhà kính để sản xuất rau nhưng việc kinh doanh không có lợi nhuận bởi chi phí cao, sản lượng thu được không đủ trang trải chi phí hoạt động. Nhà kính hình chữ nhật thông thường phải đủ lớn để chứa số lượng lớn các loại rau tại thời điểm trồng và giao hàng, làm tăng nhiều không gian gây lãng phí.




Sơ đồ tổ chức công nghệ trong nhà máy trồng rau phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời
 
Ý tưởng từ mái vòm Tokyo trong trung tâm Tokyo. Mái vòm của sân vận động bóng chày được nâng bởi áp suất không khí để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.
Các Granpa Dome là một mái vòm khí được thiết kế đặc biệt cho nông nghiệp thủy canh năng suất cao, thúc đẩy công nghệ tiên tiến để khắc phục những điểm yếu của các nhà kính thông thường. Các tính năng chính của nhà máy trồng trọt dạng mái vòm được phát triển bởi Granpa là sử dụng hiệu quả không gian và tự động hóa.

Bên trong nhà kính có đường kính 27 mét mái vòm cho phép ánh sáng mặt trời xuyên qua là bể nước đường kính 20m sử dụng cho trồng trọt và cũng là một phao nổi chuyên dụng, nơi 15.000 cây có thể phát triển liên tục. Cây trồng được trồng bên trong bể khi chúng vẫn còn là mầm. Đầu tiên, cây con được trồng trong chậu trong khu vực trong cùng của bể tròn. Các chậu giữ cây con xoay một vòng tự động mỗi ngày trên đường ray tròn. Hệ thống này thiết kế với mỗi vòng, các chậu di chuyển ra phía ngoài và dần dần đi từ trung tâm. Sau khoảng ba mươi ngày, các cây rau đạt được sự phát triển thích hợp và ra đến bên ngoài và, nơi người nông dân có thể được thu hoạch với sản lượng 450 cây rau/ngày. Cấu trúc vòm ngăn chặn sự tăng trưởng chậm gây ra bởi bóng râm, cho phép cây trồng phát triển gấp đôi số lượng so với một nhà kính hình vuông hoặc chữ nhật.


Tổng mặt bằng một nhà máy trồng rau phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời 



  Mặt bằng và mặt đứng nhà kính Granpa Dome
  
 
Bên trong nhà máy



Sơ đồ vị trí một số nhà máy trồng rau tại Nhật Bản

Tại các nhà máy Granpa Dome, việc bảo trì và trồng rau được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính, mà làm cho nó có thể cho hiệu quả, quản lý và hoạt động khi chăm sóc hoàn toàn bằng cách sử dụng chế độ tự động. Mô hình nhà máy Granpa Dome đã được phát triển ngày càng rộng rãi trên khắp Nhật Bản.
 
Hiệu quả
Các công trình nhà máy trồng trọt tại Nhật Bản sản xuất hiệu quả các loại rau trong một không gian nhỏ với tốc độ sản xuất nhanh, tiết kiệm lượng nước tiêu thụ lớn (lên đến 90%). Ngoài ra, với công nghệ trồng trọt được chuẩn hóa, những người không có kinh nghiệm nông nghiệp cũng có thể dễ dàng tìm hiểu phương pháp hoạt động chỉ trong một khoảng thời gian ngắn. Thậm chí những người già và tàn tật vẫn có thể hoạt động sản xuất rau dễ dàng với mô hình này.
Mô hình này cũng thích hợp với nông nghiệp đô thị và ven đô thị vì nó có thể được thiết lập ở không chỉ ở khu vực nông thôn mà còn thiết lập được ở nơi có không gian hạn chế đó là khu vực đô thị. Đây là những mô hình nhà máy trồng trọt được nghiên cứu và xây dựng để đáp ứng thách thức của việc có thể để sản xuất các loại rau trồng tại địa phương bất cứ nơi nào trên thế giới với những nỗ lực trong việc phát triển thành hệ thống mở rộng sản xuất nông sản trên toàn cầu. Đồng thời, các nhà máy này cũng đáp ứng tiêu chí thân thiện với môi trường với một chi phí thấp. Nhà máy trồng trọt tại Nhật Bản trở thành một hình mẫu cho các trang trại khác, mục tiêu không phải để thay thế nông dân, mà để phát triển một hệ thống nơi mà con người và máy móc làm việc cùng nhau để cùng tạo ra lợi ích trong phát triển nông nghiệp.
 
ThS. KTS. Nguyễn Thị Vân Hương, Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, ĐHXD
Tài liệu tham khảo:
1) FY2014 Annual Report on Food, Agriculture and Rural Areas in Japan. Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries. Japan, 2015. http://www.meti.go.jp/english/
2) Kazuhito Akasaka. Potential of Controlled Environment Agriculture in a Super-Aging Society. 10/2011.
3) Growing the business of Agriculture. The Japan Journal. 2- 2012
4) Japan's Food Producers. http://www.ers.usda.gov/
5) T. Kozai, Plant Factory in Japan - Current situation and perspectives. 1/2013
6) Toyoki  Kozai,  Plant Production Management  System for  PFAL (plant  factory with  artificial lighting), Japan 7) Plant Factory Association, 10/2015
7) Plant factory. http://www.meti.go.jp/english/
8) Vegetable factory. http://spread.co.jp/en/
9) Justin McCurry, Japanese firm to open world’s first robot-run farm. 2/2016 http://www.theguardian.com/environment/
10)  Seuzi Horiuchi, Solarization for greenhouse crops in Japan. http://www.fao.org/
11) Plant factory powered by sunlight – Granpa Dome. http://granpa.co.jp/
12) Hydroponic farm Japan Gandpa Dome. http://verticalfarm.altervista.org/
13) Japan: Osaka Prefectural University’s opens immense new city farm.  http://www.lighting.philips.com/
14) http://www.green-clocks.co.jp/gcn-2

Liên kết website