JP2018201404A - 結球性野菜の栽培装置 - Google Patents

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【課題】キャベツをはじめ、白菜、レタスなどの結球性野菜の安定的な栽培の実現すること。【解決手段】青色LEDを栽培物の直上に集中的に配置した植物栽培装置を提供する。【選択図】図11

Description

この発明は、キャベツをはじめとする結球性野菜の栽培システムに関し、特に、LEDを用いた閉鎖型 完全人工光型植物工場において結球性野菜を栽培して、結球させるためのシステムに関するものである。
キャベツの成長は天候に左右され、過剰に収穫され価格が暴落したり、逆に収穫が少なく価格が高騰したりしている。このため、安定した生産が望まれる。野菜を安定して生産させる方法として、植物工場を用いた生産が考えられる。非特許文献1には植物工場についての基礎的事項が記されている。
しかし、特許文献1の背景技術にあるように、結球性野菜を植物工場で栽培することは困難とされている。この課題に対する先行技術として、レタスを結球させる栽培システムとして光、温度、気流を周期的にコントロールする栽培システムが特許文献1で提案されている。
一方、結球性野菜の結球は遮光による葉の屈曲現象であることが非特許文献2に示されている。また成長ホルモンであるオーキシンがこれに寄与していることが非特許文献3に示されている。オーキシンには光を避けて、光を受けていない部分に集まりやすく、その結果、光を受けずオーキシンが集まっている部分の成長が促進される。
また、人工光型植物工場ではLEDの消費電力を抑えることが重要な課題であり、複数のLEDの配列の工夫により消費電力を抑えることが特許文献2に提案されている。
特開2013−111073号公報 特開2017−46651号公報
「図解でよくわかる植物工場のきほん」 古在豊樹監修 誠文堂新光社 加藤 徹、朴 漢永「ハクサイの結球現象に関する研究(VII)」高知大学学術研究報告 第30巻 農学 P79-90 加藤 徹「レタス、ハクサイはなぜ巻くか」化学と生物 Vol.12 P844-850
本発明の第1の課題はキャベツをはじめ、白菜、レタスなどの結球性野菜の安定的な栽培の実現である。本発明の第2の課題はキャベツをはじめとした結球性野菜の短期間での栽培の実現である。さらに、植物工場による野菜の栽培は主としてLEDの消費電力コストにより製造コストが高額となる。このため、できる限りLEDの消費電力を抑えることが求められる。そこで、LEDの消費電力を抑えることができる形でのキャベツをはじめとした結球性野菜の安定的な栽培の実現を本発明の第3の課題とする。
第1の課題を解決するために、本発明は青色LEDを栽培物の直上に集中的に配置した植物栽培装置を提供する。キャベツの結球はオーキシンが青い光を避けて移動することと関連している。青い光を真上から平行に照射するとキャベツの葉は立ち、さらには結球へと至る。一方、青い光が周囲から取り囲むように側面からも照射されると葉は立たず、結球も起こらない。逆に青い光を栽培物直上からのみ照射すると平行光を当てた場合よりもさらに葉が立ち上がる。このため、青色LEDを栽培物の直上に集中的に配置することにより、人工光型植物工場でもキャベツをはじめとする結球性野菜を結球させることができる。また、青色LEDを栽培物の直上に集中的に配置することにより、より早い段階から結球が起こり、これにより短期間での栽培が実現でき、第2の課題を解決できる。
第3の課題を解決するために、本発明では二酸化炭素濃度を高め、かつ、栽培物直上を中心としたドーナツ状に赤色LEDを配置した栽培装置を提供する。二酸化炭素濃度を十分に高めれば、葉の全体に光を照射されているか、一部のみに照射されているかにかかわらず、葉に照射されている全光量が同じであれば、光合成速度は同じくなる。一方、植物工場では光合成に寄与する葉に当たっていない光は無駄となり、極力その無駄を排除することが好ましい。キャベツなどの結球性野菜では光合成に寄与するのは外葉であり、中心の結球している部分は光合成にあまり寄与しない。このため、外葉が集中している領域に集中的に光を照射することが好ましい。しかし、二酸化炭素濃度が不十分であると光飽和がおきるため、二酸化炭素濃度を十分なレベルに維持することが必要となる。
本発明の栽培装置によって、キャベツをはじめとした結球性野菜の安定的な栽培を実現する。また、本発明の栽培装置は太陽光による栽培と比較してより早い段階から結球を実現できる。これにより、短期間での栽培の実現できる。さらに、二酸化炭素濃度を高め、かつ、栽培物直上を中心としたドーナツ状に赤色LEDを配置した栽培装置を使用することにより、一様に赤色LEDを配置した通常の植物工場と比較して電力コストを抑えることができる。
本発明の栽培装置の概略図 鉢1つ分のLEDの配列例の模式図 実施例1でのLEDユニット全体のLED配列例の模式図 栽培装置に鉢を配置した模式図(側面図) 栽培装置に鉢を配置した模式図(上面図) キャベツが結球せずに成長する様子 キャベツが結球するように成長する様子 キャベツを結球させないLED配列の例 青色LEDを苗直上から照射した場合のキャベツの成長する様子 LEDの配列の改善例1(鉢1つ分の配置図) LEDの配列の改善例2(鉢1つ分の配置図) 実施例2でのLEDユニット全体のLED配列例の模式図 二酸化炭素コントローラのブロック図
以下、図を参照して本発明を実施するための実施例について説明する。ここではキャベツを例に説明するが、他の結球性野菜でも同様である。
図1に本発明の栽培装置の模式図を示す。栽培装置1はLEDユニット101, LEDユニットコントロール部102、無線通信部103、床板104を含む。
LEDユニット101は中心波長が470nmの青色LED110と中心波長が660nmの赤色LED111が複数並べられたものである。LED配置の1例を図2に示す。図2はLEDユニット101の鉢1つ分に相当する部分を下面から見たもので、図の黒丸が青色LED110、白丸が赤色LED111である。図2では青色LED110が16個、図の中心付近に集中的に並べられている。一方、赤色LED111は25個が全体に均一に並べられている。ここで青色LED110、赤色LED111ともに照射角は15度のものを用いている。照射角は15度に限らないが、青色LEDについては光が隣の苗の領域に届ない照射角のものを使用する必要がある。このため、青色LEDについては照射角が小さいもののほうが好ましい。また、点灯時はLED一つ当たり30mWの電力となるように電圧印可される。
本実施例ではLEDユニット101には図2に示したLED配列が二行三列、計6鉢分並べられている。この様子を示したのが図3である。
LEDへはLEDユニットコントロール部102から電力供給される。LEDユニットコントロール部102へは図示しないパーソナルコンピュータ301から無線通信により無線通信部103を介して命令が送られる。LEDユニットコントロール部102はこの命令に従って青色LED110, 赤色LED111を連続点灯、間欠点灯、無点灯のいずれかの状態に制御する。
次に、この栽培装置1を使用したキャベツの栽培方法について説明する。本実施例では苗一つ一つを個々の鉢に植える方法によりキャベツを栽培する。本実施例のように青色LEDを一部に集中的に配置した栽培装置では、苗をその直下に置くことが好ましい。苗は青色LEDに向けて成長し、苗の位置が青色LEDが集中的に配置されている部分の中央直下からずれていると苗が真上ではなく斜めに成長することを実験的に確認している。鉢植えによる栽培の場合、苗の位置がずれてしまっていて、斜めに成長を始めてしまった場合、後から位置を調整することが容易である。初期に斜めに成長してしまっていても、位置を青色LEDが集中的に配置されている部分の中央直下に調整後は真上に成長する。このため、ここでは鉢植えによる栽培について説明するが、鉢植えではなく栽培装置1の床の上に複数のキャベツの苗を栽培可能なサイズの土を配置してもよい。
ここで用いる鉢2のサイズは直径15cm、深さ10cmである。これより小さいとキャベツが十分に根を張ることができない。一方、これより大きくても使用されない領域が増えるのみで土壌代などのコストに無駄を生ずる。
栽培においては、まず、鉢2に培養土201を盛る。盛る量の例としては鉢に対して8分目程度とする。次に培養土に水を撒く。水の量は直径15cm,深さ10cmの鉢に8分目まで土を盛った場合は300cc以上が好ましい。これに対して、200cc以下だと土壌の水分が少なく、発芽率が低くなる。
次に土の表面にキャベツの種子3をまく。キャベツの種子は光発芽種子のため、種に光が届くことが発芽に必要である。一方、土壌の表面は乾燥しやすく、種が乾燥してしまうと発芽に失敗する。このため、種蒔においては土表面から2mm程度の深さに種を配置する。その後霧吹きにより約20cc程度の水を土壌表面に噴霧する。
300ccの水を種を蒔いた後らか撒くと、その水により種が流れてしまうので、まず、水を撒いてから種を蒔く。このままだと、種が乾燥しているので、種を湿らせるために種を蒔いた後に霧吹きを行う。こうすることにより、種を所望の位置、深さに巻くことができ、かつ、発芽させることができる。本発明の栽培方法では種が所定の位置からずれていると斜めに苗が成長してしまうので、種を所定の位置に蒔くことが重要である。
ここまでで種蒔の工程が完了となる。完了したら鉢を栽培装置1の床板104上に配置する。このとき、青色LEDが集中的に配置されている部分の中央直下に種が位置するように配置する。この鉢2が栽培装置1に配置された状態を模式的に記したのが図4、図5である。図4は側面からみた図で、図5は上面からみた図である。なお、図5では栽培装置1の構成部品は省略されている。ここで栽培装置に鉢2が2行3列で配置されている。鉢の出し入れは栽培装置1の2つある長辺のいずれかの側から行うと他の鉢と干渉せず、鉢の出し入れが容易となる。このような鉢を出し入れの作業性を考慮すると、LEDユニット101は、鉢を2行に配置するような鉢の配置に対応したLED配列が好ましい。
その後はLEDによる光照射の状態と照射なしの状態を定期的にくりかえす。例としては光照射を12時間、照射なしを12時間とする24時間周期を繰り返す、などがある。
青色LED110と赤色LED111の照射時間を同一にする必要はない。電力を節約するためには青色LED110の照射時間を短くするとよい。この理由は以下による。赤色LEDのほうが青色LEDよりも同数の光子を発生させるのに必要な電力が小さい。中心波長470nmの青色LEDによる光でも中心波長660nmの赤色LEDによる光でも、同数の光子が葉に照射されれば、光合成への寄与は同じとなる。このため、青色LED110からの光はオーキシンへの刺激に必要な最小限に留め、光合成に必要な光は主として赤色LED111によるのが好ましい。
また、消費電力を抑えるためには、LED照射を連続照射ではなく間欠照射にしてもよい。
また、水は図示しない給水装置により定期的に行う。十分成長したら鉢を栽培装置から卸し、収穫する。
次に、キャベツを結球させるための条件について説明する。キャベツの結球はオーキシンが青い光を避けて移動することと関連している。青い光を真上から平行に照射するとキャベツの葉は立ち、さらには結球へと至る。一方、青い光が周囲を取りまくように側面からも照射されると葉は立たず、結球も起こらない。この様子を対比的に図示したのが図6、図7である。
図6は側面からも青い光を当てた場合の苗の成長の様子を示したものである。図6では (a)、(b)、(c)の順でキャベツが成長する様子を模式的に示してある。また点線の矢印で青い光が照射する様子を示してある。図6では側方からも青い光が苗に照射されている。これにより、図6ではどの葉も成長するにつれ地面に平行に開くようになり、結球が起こらない。
図6のように苗に光を照射するには、例えば図8のように青色LED110を均一に配置し、さらに青色LEDとして60度以上の照射角をもつLEDを使用すればよい。
一方、図7は真上から垂直に青い光を当てた場合の苗の成長の様子を模式的記したものである。図7でも(a)、(b)、(c)の順でキャベツが成長する様子を模式的に示してある。図7にも点線の矢印で青い光が照射する様子を示してある。図7では青い光は地面に垂直に照射されている。この場合、後から発生した葉ほどより垂直にそり立つように成長する。この後、やがて結球に至る。
さらに、本発明の図2のようなLED配置を用いた場合の苗の成長の様子を図9に示す。図9では青い光は苗の中心から外側へと広がるように照射され、その結果、図7のように平行光により育成した場合よりもさらに葉がそりたち、容易に結球する。本発明の発明者は、図7の場合に準ずると考えられる太陽光による成長よりも、図2のようなLED配置のほうが、より一層葉がそり立つことを実験的に確認している。太陽光下での育成と完全人工光型植物工場では水、光強度などの条件を同一にした比較が困難なため、図7の場合と図2の場合の結球開始の時期の直接比較はできていないが、図2の場合より図7の場合のほうが、結球開始は早まると判断される。
<実施例2>
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態として実施例2について説明する。
実施例2では苗一株あたりのLED配列を図10もしくは図11のようにする。これらの図で青色LED110の配置は第1の実施例と同様に中心付近に集中的に並べられている。一方、赤色LEDはドーナツ状のエリア401内に配置されている。図12に、図11の配列の場合の実施例2のLEDユニットの模式図を示す。使用する赤色LEDは実施例1と同様に光の放射角が15度のものを使用する。より放射角が狭いものが好ましいが、市販され、容易に手に入るLEDでは15度が最小のため、ここでは15度を例に説明する。
実施例2では、さらに二酸化炭素濃度コントローラ5を用い、栽培装置が配置される部屋の二酸化炭素濃度を通常の大気の二酸化炭素濃度である500ppmより3倍高い1500ppmに設定する。これにより、実施例1など赤色LEDを均一に配列した栽培装置と比較して、消費電力を抑制した形で、かつ、同レベルの光合成を実現できる。これにより、より消費電力を抑えた栽培が可能となる。
図13に二酸化炭素濃度コントローラ5のブロック図を示す。二酸化炭素濃度コントローラ5は二酸化炭素ボンベ501、電磁弁502、二酸化炭素センサー503、制御マイコン504、無線通信部505を含む。二酸化炭素濃度コントローラは図示しないパーソナルコンピュータ301から無線により制御する。パーソナルコンピュータ301からの指示は無線通信部505を通じて制御マイコン504に伝えられる。制御マイコン504はパーソナルコンピュータ301からの指示により二酸化炭素センサー503の出力を読み取り、パーソナルコンピュータ301に結果を送ることができる。また、制御マイコン504はパーソナルコンピュータからの指示により一定時間、電磁弁502を開き、二酸化炭素を二酸化炭素ボンベ501から放出させることができる。
この二酸化炭素コントローラ5をパーソナルコンピュータ301上で実行されている二酸化炭素濃度コントロールソフト506が制御することにより、栽培装置1によりキャベツを育成する部屋の二酸化炭素濃度を所定の濃度に維持できる。
二酸化炭素を部屋に導入する場合、人体への影響を考えてモニタリングを行う必要がある。この際、コントロールやモニタリングは二酸化炭素を導入する部屋の外部で行うことが安全面から好ましく、このため、本実施例では無線通信を使用して、部屋の外部からモニタリングとコントロールを行っている。
つぎに上記の栽培装置を使用することにより、実施例1などの赤色LEDを均一に配列したものと比較して、消費電力を抑えた形で同等の光合成を実現できる理由について説明する。
非特許文献1の86-87ページに二酸化炭素と光合成の光飽和の関係が示されている。これによれば、所定の二酸化炭素濃度において、照射する光強度を高めると、一定の照射強度までは光合成速度が増大するものの、ある値で飽和すること、そしてその飽和強度は二酸化炭素濃度が高いほど強いことが示されている。このことから二酸化炭素濃度が十分に高い状態では、例えば、葉の全体にある強度Aの光が当たっている場合と、葉の半分の領域にのみ光が当たっているが光強度がAの2倍である場合では光合成速度が同等となることがわかる。つまり、二酸化炭素濃度が十分に高い状態では葉の全体に光を照射されているか、一部のみに照射されているかにかかわらず、葉に照射されている全光量が同じであれば、光合成速度は同じくなる
植物工場では光合成に寄与する葉に当たっていない光は無駄となり、極力その無駄を排除することが好ましい。キャベツなどの結球性野菜では光合成に寄与するのは外葉であり、中心の結球している部分は光合成にあまり寄与しない。このため、外葉が集中している領域に集中的に光を照射することが好ましい。しかし、二酸化炭素濃度が不十分であると光飽和がおきるため、二酸化炭素濃度を十分なレベルに維持することが必要となる。
実施例2では赤色LED110として照射角度の小さいLEDを用い、かつ、本葉の開いている部分のほぼ直上となるドーナツ状の領域にのみLEDを配置することにより、光合成に利用されない光を抑制できる。これに対して、赤色LEDとして照射角の大きいLEDを用いた場合、LEDを本葉の直上に配置しても光が広がり、葉のない部分にまで光が照射されてしまう。
さらに、同じ強度の光でも斜めから光を照射するより、葉の表面に垂直に光を照射したほうが葉の表面の光密度が高くなる。光合成に寄与する外葉はほぼ水平に広がっているので、このことからも照射角が照射角が小さいLEDを使用することが好ましい。
1 栽培装置
101 実施例1のLEDユニット
102 LEDユニットコントロール部
103 無線通信部
104 床板
105 実施例2のLEDユニット
110 青色LED
111 赤色LED
2 鉢
201 培養土
3 キャベツの種子
301 パーソナルコンピュータ
401 実施例2での赤色LED配置領域
5 二酸化炭素濃度コントローラ
501 二酸化炭素ボンベ
502 電磁弁
503二酸化炭素センサー
504 制御マイコン
505 無線通信部
506 二酸化炭素濃度コントロールソフト

Claims (3)

  1. 光源として青色LEDと赤色LEDを使用する結球性野菜の育成装置であって、前記青色LEDは被育成物の直上に集中的に配置されることを特徴とする結球性野菜の育成装置
  2. 請求項1の結球性野菜の育成装置であって、被育成物を個別の鉢において作成させるようにした結球性野菜の育成装置
  3. 請求項2の結球性野菜の育成装置であって、赤色LEDは被育成物の直上を中心としたドーナツ状のエリアに配置されるとともに、大気中の二酸化炭素濃度より二酸化炭素濃度を高める二酸化炭素濃度維持装置を併設することを特徴とする結球性野菜の育成装置
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020084884A1 (ja) 2018-10-26 2020-04-30 株式会社ホタルクス 滑走路埋込型閃光装置

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