JP2005308733A - 植物の受けるストレスの測定方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 植物の緑葉L及び標準白色板Wからの反射光を分光する分光器1bと、同分光器の分光波長の光強度を記憶する分光強度記憶部1cと、標準白色板Wからの反射光の分光波長の光強度を記憶する白色面反射分光強度記憶部2dと、前記2つの記憶部1c,2dの光強度比から各波長の分光反射率を計算して記憶する分光反射率特性記憶部1eと、同分光反射率特性から変化波長域を検出する変化波長域検出部2と、同変化波長域の分光反射率の微係数が最大となる特徴点波長を算出する特徴点波長算出部3と、同特徴点波長を時系列で記憶する特徴点波長経時変動記憶部4と、特徴点波長の短波長側への推移量からストレス量を評価する水ストレス評価部5とからなる。
【選択図】図1
Description
適度な水切りは、果実糖度を上昇させ高糖度果実の生産に寄与できる。しかし、過度の水切りは、樹木の勢いを低下させ、結果として、果実の成長阻害(小さな果実しか収穫できない)や翌年の新枝や新芽の成長阻害などを引き起し、最悪の場合には樹体そのものが枯死することもある。
また、近年、農業の生産効率化や農産物の高付加価値化などのニーズが強まっていることもあり、水切りなどの栽培技術を駆使した高糖度果実の生産などが脚光を浴びている。
従って、本発明は、水切りなどの水管理作業を行う際の目安として、樹体が受けている水分ストレスの量を読み取ることに使用する。
樹体が水ストレス(渇き)を受けると、葉が萎れる、軽くカールする。若干ではあるが葉色に変化が生じる、などの外見上の変化が現われる。熟練者は長年の経験と勘により、このような樹体の変化や気温・湿度・日照条件などを加味して経験的に判断し、必要な潅水時期とその量を決定する。
a)測定法
加圧できる容器に、葉柄部又は茎だけを外へ出して葉を中に入れ、圧搾空気をチャンバー内に導入して、しだいに加圧していく。
葉柄の導管の部分から、水が噴出してくるときの圧を読み取る。読み取った圧の符号を逆にすればそれが水ポテンシャルである。この場合、切り口をルーペなどで拡大するとわかりやすい。
b)欠点
蒸散が盛んなときは、葉の水ポテンシャルが低めに出るが、夜明け前に測定すると安定した値が得られる。言い換えれば、安定した測定結果を得るためには、夜明け前の測定が必要である。
a)測定法
チャンバー内に組織を封入し、組織と平衡に達したチャンバー内の空気の相対水蒸気圧を熱電対で測定する。一方、組織の代わりに入れた標準液での結果から、キャリレートして組織の水ポテンシャルを高める。湿度の測定には現在スパナー型(spanner型)の熱電対湿度計が市販されている。
b)欠点/補足
一般には熱電対湿度計法が、水ポテンシャル標準測定法とされている。
1点の測定に2〜3時間を要し、生態学的に葉の水分状態を取り扱ったり、樹園地で短時間に樹体の水ストレスを知るような場合は利用が困難である。
a)測定法
リーフパンチで葉身を打ち抜き、新鮮重(FW)を測定する。20℃純水をふた付きシャーレに入れ、葉片を浮かせる。光補償点に相当する人工光を葉に照射し、20℃で4時間吸水させる。吸水後、葉に付着した水をすばやくふき取って重量(FWD)を測定し、90℃で1時間乾燥後秤量(DW)する。結果は、次の式で計算する。
WSD(%)=(FTW−FW)/(FTW−DW)*100
b)欠点
WSDの測定法は簡便ではあるが測定には精密な秤が必要であり、結果を得るまでに長時間を要する。測定精度もあまりよくない。
この方法では、電極の接続する位置、土壌の条件で誤差が大きいという欠点がある。
本発明の他の課題は、ストレスの測定方法の為の野外・屋外で手軽に且つ安価に使用できる光源・プローブ・測定手段の提供にある。
1) 植物の緑葉に光を照射し、緑葉からのその反射光又は透過光を捕捉してその反射光又は透過光の各波長の分光輝度を照射光の基準となる物体からの反射光又は透過光の同じ波長の分光輝度でもって除した分光率の分光率特性を経時的に複数回測定し、各分光率特性に対して赤色の可視光域の低い分光率から近赤外域の高い分光率へと分光率が大きく増加する変化波長域を検出し、同変化波長域の経時的変動を求め、同変化波長域の変動において短波長側への推移が大きい程植物が受けているストレスが大きいものとなっていると評価する、植物の受けるストレスの測定方法
2) 植物の緑葉に光を照射し、緑葉からのその反射光又は透過光を捕捉してその反射光又は透過光の各波長の分光輝度を照射光の基準となる物体からの反射光又は透過光の同じ波長の分光輝度でもって除した分光率の分光率特性を経時的に複数回測定し、各分光率特性に対して赤色の可視光域の低い分光率から近赤外域の高い分光率への分光率が大きく増加する変化波長域を検出し、同変化波長域の波長による分光率の微係数が最も高い波長である特徴点波長を求め、同特徴点波長が短波長側へ変位する程植物の受けるストレスが大きいものと評価する、植物の受けるストレスの測定方法
3) 植物の緑葉に光を照射し、緑葉からのその反射光又は透過光を捕捉してその反射光又は透過光の各波長の分光輝度を照射光の基準となる物体からの反射光又は透過光の同じ波長の分光輝度でもって除した分光率の分光率特性を経時的に複数回測定し、各分光率特性に対して赤色の可視光域の低い分光率から近赤外域の高い分光率への分光率が大きく増加する変化波長域を検出し、同変化波長域における測定された分光率の波長による微係数を求め、コンピュータのソフトを用いて変化波長域での波長による分光率の一次微分の微係数を2つの波長λ1,λ2を中心とする下式の数3の正規分布の重ね合せとして、測定された分光率の波長による微係数値を代入して近似する値を与えるa1,σ1,λ1,a2,σ2,λ2の値を算出し、算出したa1,a2,λ1,λ2を用いて下式の数4で計算したλm又はλ1あるいはλ2のいずれかの波長が短波長側へ変位する程植物の受けるストレスが大きいものと評価する、植物の受けるストレスの測定方法
5) 緑葉に照射する光として、同時に発光する中心発光波長が異なる複数の発光ダイオードからの光を、拡散板に当てて各発光ダイオードの光を拡散と混合させた後の通過光を照射光として用いる、前記1)〜4)何れか記載の植物の受けるストレスの測定方法
6) 分光率特性を測定する測定方法として、透過光又は反射光をプリズムで分光し、分光された異なった波長の光を複数のフォトダイオードで受光し、その分光強度の出力信号から分光率特性を算出する、前記1)〜5)いずれか記載の植物の受けるストレスの測定方法
7) 緑葉からの反射光又は透過光の光をピンホールに通過させ、更にその通過光をレンズで平行光にし、その平行光をプリズムで分光し、分光された光をレンズで複数の波長毎に集光してこれを複数のフォトダイオードで受光して、各フォトダイオードの分光強度を測定して分光率特性を算出するようにした、前記1)〜5)いずれかに記載の植物の受けるストレスの測定方法
8) 緑葉に照射する光源として、中心波長が異なる波長の複数の発光ダイオードを用い、同発光ダイオードの光を拡散させる拡散板で拡散させた光を緑葉に照射し、その反射光又は透過光を1つのフォトダイオードで受光するとともに、複数の発光ダイオードを時分割的に交代して発光させ、フォトダイオードの受光も時分割と同期して異なった中心波長の分光強度を1つのフォトダイオードで測定して分光率特性を算出するようにした、前記1)〜4)記載の植物の受けるストレスの測定方法
9) 中心波長が600〜800nmの範囲内である発光ダイオードを用いる、前記5)又は8)記載の植物の受けるストレスの測定方法
10) フォトダイオードが受光する波長が600〜800nmの範囲のものである、前記6)又は7)記載の植物の受けるストレスの測定方法
11) 緑葉が持つ分光率特性を測定する測定手段と、測定された分光率特性に含まれる低い分光率を呈する赤色の可視光域から高い分光率を呈する近赤外域への変化波長域を検出する検出手段と、検出された変化波長域を測定日時とともに記憶保存する記憶手段と、記憶保存された変化波長域の短波長側への推移の量を算出して記憶し、その推移量が大きい程ストレスが高いものとするストレス指標として推移量を出力する判断手段とを備えた植物ストレス測定装置
12) 緑葉が持つ分光率特性を測定する測定手段と、測定された分光率特性に含まれる低い分光率を呈する赤色の可視光域から高い分光率を呈する近赤外域への変化波長域を検出する検出手段と、同変化波長域を測定日時とともに記憶する記憶手段と、同変化波長域での波長による分光率の微係数を算出し、同微係数が最も高い波長の特徴点波長を求める特徴点算出手段と、同特徴点波長を測定日時とともに記憶保存する特徴点波長記憶手段と、同特徴点波長の短波長側への推移量を算出して記憶し、特徴点推移量が大きい程ストレスが高いものとするストレス指標として特徴点推移量を出力する評価手段とを備えた植物ストレス測定装置
13) 測定手段の緑葉に照射する光源として、同時に発光する中心波長が600〜800nmの範囲で異なる波長の複数の発光ダイオードと、同発光ダイオードからの発光の光を拡散混合した後通過させて照射光とする拡散板とを備えた光源を有する、前記11)又は12)いずれか記載の植物のストレス測定装置
14) 測定手段が、反射光又は透過光を分光するプリズムと、同プリズムで分光された異なった波長の光を受光する複数のフォトダイオードと、同フォトダイオードの分光強度の出力信号から各波長の分光率を測定して分光率特性を算出する手段とを備えた、前記11)〜13)いずれか記載の植物のストレス測定装置
15) 中心波長が600〜800nmの範囲の中心波長を異にする複数の発光ダイオードを設け、同発光ダイオードの光を拡散混合する拡散板を設け、同拡散板の通過光が照射する位置に測定される緑葉を載置するサンプル受台を設け、同サンプル受台のサンプル受面の下方に標準白色板を設け、同サンプル受台のサンプル受面に臨むようにサンプル受面からの反射光又は透過光を計測する測定手段の受光部を配置した、植物のストレス装置のプローブ
16) 中心波長が600〜800nmの範囲で中心波長を異にする複数の発光ダイオードを設け、同発光ダイオードの光を標準白色板と同等に拡散混合する拡散板を設け、同拡散板の通過光が照射する位置に測定される緑葉を載置するサンプル受面を設け、同サンプル受面を通過した光を受光する測定手段の受光部を設けた、植物ストレス装置のプローブ
にある。
本特許請求の範囲・明細書中の分光率とは、緑葉に照射した光の反射光(散乱光)を用いる場合は、その反射光(散乱光)の各波長の分光輝度(分光強度)を照射光の基準となる物体(多くは反射型標準白色板)からの反射光(散乱光)の同じ波長の分光輝度(分光強度)でもって除した値であり、分光反射率のことであり、又は緑葉に照射した光の透過光を用いる場合は、その透過光の各波長の分光(分光強度)を照射光の基準となる透光性の物体(多くは透光型標準白色板)の透過光の同じ波長の分光輝度(分光強度)でもって除した値であり、分光透過率のことである。本発明では分光反射率と分光透過率を分光率と総称している。又、それらの分光反射率と分光透過率の波長に対する特性である分光反射率特性と分光透過率特性とを分光率特性と総称している。
発光ダイオードと拡散板とを用いて照射光を作り出す発明では、低電力で野外で使用を容易にし、且つ安価に製造できる。更にプリズムとフォトダイオードを用いて安価な分光器とすることができる。野外で手軽に使えるプローブを安価に提供できる。
又本発明の数1(数3)での測定の分光率に近似する値をとるλ1,λ2,σ1,σ2,a1,a2の算出方法としては非線形最小二乗法を用いるのが好ましい。
更に別の方法として、反射光・透過光をピンホールに通過させ、その通過光をレンズで並行光にした後各波長毎の焦点位置にフォトダイオードを配置し複数のフォトダイオードにより各波長の分光強度を計測して分光率特性を得る方法がある。
本実施例は、緑葉からの反射光(散乱光)を受光して分光反射率を求め、基準となる物体として標準白色板を用いた。計測した反射光の各波長の光強度をコンピュータに入力してソフト・メモリを用いて変化波長域を検出し、その中で特徴点波長を算出し、特徴点波長の経時変化を記憶し、その特徴点波長の低下(短波長化)の程度をもって水ストレスの大きさを評価するストレス測定方法と装置の例である。
図2は、実施例1の反射光の分光反射率とその微係数を示す分光反射率特性図である。
図3は、実施例1の変化波長域検出部の処理フローを示す説明図である。
図4は、実施例1の特徴点波長算出部の処理フローを示す説明図である。
図5は、実施例1の特徴点波長の経時変化図である。
図6は、実施例1のストレス指標としての特徴点波長の推移量の経時変化図である。
図7,8は、実施例1の特徴点波長側の推移と従来のプレッシャーチャンバー法による最大水ポテンシャルの推移の比較を示す説明図である。
次に、測定する植物の緑葉Lに光源1aの光を照射し、その反射光を分光器1bで分光し、その分光反射光の光強度を波長とともに分光強度記憶部1cに記憶する。
その後、各波長に対して分光反射率を、分光強度記憶部1cで記憶した分光強度を白色面反射分光強度記憶部1dで記憶した同じ波長の分光強度で除した値として計算する。計算された分光反射率はその波長とともに分光反射率特性記憶部1eに記憶される。この分光反射率特性をグラフ表現したのが図2の実線である。
この水ストレスの判断は、コンピュータソフトの水ストレス評価部5で判断させてもよいし、グラフ出力して人間が最終判断することも可能である。
図10は、実施例2の中間波長の推移量の経時変化を示す説明図である。
図中、20は変化波長域からその中間波長を求める中間波長算出部、21は中間波長算出部の中間波長値とその測定日時を記憶する中間波長経時変動記憶部、22は中間波長の短波長への推移量を計算してストレス指標として出力するストレス判断部である。
この図11の例では、白色光と720〜780nmの範囲内の中心波長の発光ダイオードLED1〜LED4とを光源とし、これらの発光を拡散板31で拡散・混合し、同拡散板31を通過した光を照射光とする。これらの照射光を緑葉に照射して、その反射光(散乱光)又は透過光を受光部(図示せず)に受光して分光器1bに入力して、分光反射率特性を測定し、これを複数回経時的に行う。
この分光反射率特性から、前記した方法によって変化波長域の短波長側の移動量、又は特徴点波長の短波長側への移動量から水ストレスを評価する。尚、透過光を用いた光透過率特性からも同様に水ストレスを評価できる。
この例では、13個の発光ダイオード40は、時分割的に交代させて作動させ、フォトダイオード42の受光信号もその時分割と同期させ、一つのフォトダイオードで13の各中心波長の分光強度のデータを得て分光反射率特性を計測することができる。この例は製作コストが安価にできる。この場合でも図12の反射光用プローブ、図13の透過光用プローブのどちらでも構成することができる。
この例は、緑葉からの反射光(散乱光)又は透過光をピンホール50に通過させ、それをレンズ51で平行光にし、その平行光をプリズム52によって分光し、分光された光をレンズ53で波長毎に集光し、複数の集光位置にフォトダイオード54を配置し、複数のフォトダイオード54で前記中心波長に相当の波長の分光強度を測って、分光率特性を出す方法である。この方法も市販の高価な分光器を使用しない方法の例である。
L 緑葉
W 標準白色板
1 分光反射率測定装置
1a 光源
1b 分光器
1c 分光強度記憶部
1d 白色面反射分光強度記憶部
1e 分光反射率特性記憶部
2 変化波長域検出部
3 特徴点波長算出部
4 特徴点波長経時変動記憶部
5 水ストレス評価部
20 中間波長算出部
21 中間波長経時変動記憶部
22 ストレス判断部
30A,30B プローブ
31 拡散板
33 載置面
34 標準白色板
35 受光部
40 発光ダイオード
41 拡散板
42 フォトダイオード
50 ピンホール
51,53 レンズ
52 プリズム
54 フォトダイオード
99 透過用の拡散板
Claims (16)
- 植物の緑葉に光を照射し、緑葉からのその反射光又は透過光を捕捉してその反射光又は透過光の各波長の分光輝度を照射光の基準となる物体からの反射光又は透過光の同じ波長の分光輝度でもって除した分光率の分光率特性を経時的に複数回測定し、各分光率特性に対して赤色の可視光域の低い分光率から近赤外域の高い分光率へと分光率が大きく増加する変化波長域を検出し、同変化波長域の経時的変動を求め、同変化波長域の変動において短波長側への推移が大きい程植物が受けているストレスが大きいものとなっていると評価する、植物の受けるストレスの測定方法。
- 植物の緑葉に光を照射し、緑葉からのその反射光又は透過光を捕捉してその反射光又は透過光の各波長の分光輝度を照射光の基準となる物体からの反射光又は透過光の同じ波長の分光輝度でもって除した分光率の分光率特性を経時的に複数回測定し、各分光率特性に対して赤色の可視光域の低い分光率から近赤外域の高い分光率への分光率が大きく増加する変化波長域を検出し、同変化波長域の波長による分光率の微係数が最も高い波長である特徴点波長を求め、同特徴点波長が短波長側へ変位する程植物の受けるストレスが大きいものと評価する、植物の受けるストレスの測定方法。
- 植物の緑葉に光を照射し、緑葉からのその反射光又は透過光を捕捉してその反射光又は透過光の各波長の分光輝度を照射光の基準となる物体からの反射光又は透過光の同じ波長の分光輝度でもって除した分光率の分光率特性を経時的に複数回測定し、各分光率特性に対して赤色の可視光域の低い分光率から近赤外域の高い分光率への分光率が大きく増加する変化波長域を検出し、同変化波長域における測定された分光率の波長による微係数を求め、コンピュータのソフトを用いて変化波長域での波長による分光率の一次微分の微係数を2つの波長λ1,λ2を中心とする下式の数1の正規分布の重ね合せとして、測定された分光率の波長による微係数値を代入して近似する値を与えるa1,σ1,λ1,a2,σ2,λ2の値を算出し、算出したa1,a2,λ1,λ2を用いて下式の数2で計算したλm又はλ1あるいはλ2のいずれかの波長が短波長側へ変位する程植物の受けるストレスが大きいものと評価する、植物の受けるストレスの測定方法。
- 基準となる物体が標準白色板である、請求項1〜3何れか記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- 緑葉に照射する光として、同時に発光する中心発光波長が異なる複数の発光ダイオードからの光を、拡散板に当てて各発光ダイオードの光を拡散と混合させた後の通過光を照射光として用いる、請求項1〜4何れか記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- 分光率特性を測定する測定方法として、透過光又は反射光をプリズムで分光し、分光された異なった波長の光を複数のフォトダイオードで受光し、その分光強度の出力信号から分光率特性を算出する、請求項1〜5いずれか記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- 緑葉からの反射光又は透過光の光をピンホールに通過させ、更にその通過光をレンズで平行光にし、その平行光をプリズムで分光し、分光された光をレンズで複数の波長毎に集光してこれを複数のフォトダイオードで受光して、各フォトダイオードの分光強度を測定して分光率特性を算出するようにした、請求項1〜5いずれかに記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- 緑葉に照射する光源として、中心波長が異なる波長の複数の発光ダイオードを用い、同発光ダイオードの光を拡散させる拡散板で拡散させた光を緑葉に照射し、その反射光又は透過光を1つのフォトダイオードで受光するとともに、複数の発光ダイオードを時分割的に交代して発光させ、フォトダイオードの受光も時分割と同期して異なった中心波長の分光強度を1つのフォトダイオードで測定して分光率特性を算出するようにした、請求項1〜4記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- 中心波長が600〜800nmの範囲内である発光ダイオードを用いる、請求項5又は8記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- フォトダイオードが受光する波長が600〜800nmの範囲のものである、請求項6又は7記載の植物の受けるストレスの測定方法。
- 緑葉が持つ分光率特性を測定する測定手段と、測定された分光率特性に含まれる低い分光率を呈する赤色の可視光域から高い分光率を呈する近赤外域への変化波長域を検出する検出手段と、検出された変化波長域を測定日時とともに記憶保存する記憶手段と、記憶保存された変化波長域の短波長側への推移の量を算出して記憶し、その推移量が大きい程ストレスが高いものとするストレス指標として推移量を出力する判断手段とを備えた植物ストレス測定装置。
- 緑葉が持つ分光率特性を測定する測定手段と、測定された分光率特性に含まれる低い分光率を呈する赤色の可視光域から高い分光率を呈する近赤外域への変化波長域を検出する検出手段と、同変化波長域を測定日時とともに記憶する記憶手段と、同変化波長域での波長による分光率の微係数を算出し、同微係数が最も高い波長の特徴点波長を求める特徴点算出手段と、同特徴点波長を測定日時とともに記憶保存する特徴点波長記憶手段と、同特徴点波長の短波長側への推移量を算出して記憶し、特徴点推移量が大きい程ストレスが高いものとするストレス指標として特徴点推移量を出力する評価手段とを備えた植物ストレス測定装置。
- 測定手段の緑葉に照射する光源として、同時に発光する中心波長が600〜800nmの範囲で異なる波長の複数の発光ダイオードと、同発光ダイオードからの発光の光を拡散混合した後通過させて照射光とする拡散板とを備えた光源を有する、請求項11又は12いずれか記載の植物のストレス測定装置。
- 測定手段が、反射光又は透過光を分光するプリズムと、同プリズムで分光された異なった波長の光を受光する複数のフォトダイオードと、同フォトダイオードの分光強度の出力信号から各波長の分光率を測定して分光率特性を算出する手段とを備えた、請求項11〜13いずれか記載の植物のストレス測定装置。
- 中心波長が600〜800nmの範囲の中心波長を異にする複数の発光ダイオードを設け、同発光ダイオードの光を拡散混合する拡散板を設け、同拡散板の通過光が照射する位置に測定される緑葉を載置するサンプル受台を設け、同サンプル受台のサンプル受面の下方に標準白色板を設け、同サンプル受台のサンプル受面に臨むようにサンプル受面からの反射光又は透過光を計測する測定手段の受光部を配置した、植物のストレス装置のプローブ。
- 中心波長が600〜800nmの範囲で中心波長を異にする複数の発光ダイオードを設け、同発光ダイオードの光を標準白色板と同等に拡散混合する拡散板を設け、同拡散板の通過光が照射する位置に測定される緑葉を載置するサンプル受面を設け、同サンプル受面を通過した光を受光する測定手段の受光部を設けた、植物ストレス装置のプローブ。
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