JP2019149952A - 植物生育システム及び植物生育方法 - Google Patents

Abstract

【課題】植物を低コストで良好に生育させることができる植物生育システム及び植物生育方法を提供する。【解決手段】植物栽培施設１０には、ワサビＷ１が植えられた栽培床５０が配置されている。栽培床５０は、内部に培地収容部５５が固定された滞留部５１を備えている。培地収容部５５の側部及び底部には、多数の貫通孔が形成されている。培地収容部５５の上方には、供給管３１の吐出口３１ａが位置している。この吐出口３１ａからの培養液が、ワサビＷ１の根茎Ｒ１に掛かるように、供給管３１の吐出口３１ａの位置又はワサビＷ１の定植位置を調整する。制御ユニット４０は、排出ポンプ３４を制御して、滞留部５１内の培養液の水面を昇降させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ワサビ等の植物の育成に関する植物生育システム及び植物生育方法に関する。

今日、多様な植物の水耕栽培が検討されている。例えば、ワサビについても水耕栽培する技術が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１には、ワサビの生育には、養分が少ない培地を使用し、１２℃〜１５℃の水温の培養水を用いる等の条件を満たす必要があることが記載されている。

特開平１１−１５１０４９号公報

この文献に記載されているように、ワサビ等の植物は、低温、貧栄養、弱光条件でないと生育できないと考えられていた。このため、人工栽培する場合には、培養液の冷却を行なっており、その負担が大きかった。

上記課題を解決する植物生育システムは、植物の根茎を培養液に浸漬させて植物を生育する植物生育システムであって、前記植物が植えられる栽培床に培養液を供給する供給部と、前記培養液を排出する排出部とを備え、前記供給部により、前記栽培床に滞留する培養液の液面に乱流が生じるように培養液を供給し、前記乱流が生じる液面の領域に、前記根茎を配置する。ここにおける根茎には、地下茎だけでなく、地中にある根や茎を含む。

本発明によれば、植物を低コストで良好に生育させることができる。

本実施形態の植物生育システムの概略構成図。 本実施形態の植物生育システムの要部の構成を説明する説明図。 本実施形態の植物育成方法の説明図であり、（ａ）は液面が低い場合、（ｂ）は液面が中央に位置している場合、（ｃ）は液面が高い場合を示す。 変更例における植物生育システムの要部の構成を説明する説明図。

以下、図１〜図３を用いて、植物生育システム及び植物生育方法を具体化した一実施形態について説明する。本実施形態では、植物としてワサビを生育する場合を想定する。
まず、図１を用いて、植物生育システムとしての植物栽培施設１０について説明する。植物栽培施設１０は、外界から隔離されており、通用口を開放した場合に出入りできる閉空間で構成されている。

植物栽培施設１０には、ワサビＷ１が植えられた栽培床５０が配置されている。栽培床５０は、循環される培養液を滞留する滞留部５１を備える。この栽培床５０の詳細については後述する。

栽培床５０の上方には、複数の光源１５が配置されている。光源１５は、ワサビＷ１に、日照として人工光を照射する人工光照明装置である。この光源１５は、光量子量を調整可能な光源である。本実施形態では、光源１５として、蛍光灯型ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いる。なお、ここで、光量子量は、ＰＰＦＤ（光合成光量子束密度、単位：μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１）を用いて表す。

植物栽培施設１０には、温度検出部２１及び空調装置２２が設けられ、室温制御部４２に接続されている。温度検出部２１は、植物栽培施設１０内の室内温度（室温）を検出し、室温制御部４２に室温情報を提供する。空調装置２２は、室温制御部４２の指示に基づいて、植物栽培施設１０内を設定温度に調整する。

更に、植物栽培施設１０には、ガス濃度検出部２３が設けられ、ＣＯ２制御部４３に接続されている。このガス濃度検出部２３は、植物栽培施設１０内の二酸化炭素（ＣＯ２）濃度を検出し、ＣＯ２制御部４３にＣＯ２濃度情報を供給する。

植物栽培施設１０には、オフィス（図示せず）の排気を室内に供給する炭酸ガス供給部２５が接続されている。この炭酸ガス供給部２５は、気体供給ポンプ２７及び気体供給バルブ２８が取り付けられている気体供給管２６を備えている。気体供給ポンプ２７は、オフィスの排気（炭酸ガス）を植物栽培施設１０の空間に圧送する。この排気には、比較的濃い濃度の二酸化炭素（ＣＯ２）が含まれている。気体供給バルブ２８は、オフィスからの排気の供給量を調整する。そして、ＣＯ２制御部４３からの指示に基づいて、気体供給ポンプ２７が稼働されると、オフィスからの排気が植物栽培施設１０に供給される。

また、植物栽培施設１０の滞留部５１には、貯蔵部３０の培養液が供給管３１を介して供給される。この供給管３１には、培養液を滞留部５１に供給するための供給ポンプ３３が設けられている。

また、滞留部５１の内部には、排出管３２の流入口が配置されている。この排出管３２は、貯蔵部３０に接続されている。排出管３２には、滞留部５１から貯蔵部３０に培養液を還流させるための排出ポンプ３４が設けられている。本実施形態では、排出ポンプ３４として、供給ポンプ３３よりも吐出量が多いポンプを用いる。

貯蔵部３０は、滞留部５１から還流された培養液を蓄積し、液温調整部３０ａ及び養分調整部３０ｂを備えている。液温調整部３０ａは、液温検出部及び熱交換器を備えている。液温検出部は、培養液の温度を検出する。熱交換器は、培養液を加熱又は冷却する。養分調整部３０ｂは、培養液管理部４４に接続された養分検出部及び濃度調整部を備えている。養分検出部は、養分濃度（肥料濃度）を検出し、養分濃度情報を培養液管理部４４に供給する。濃度調整部は、培養液管理部４４からの指示に応じて必要な養分を、培養液に追加する。

植物栽培施設１０内の生育環境は、制御ユニット４０によって制御される。
制御ユニット４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリ等を備えた制御手段である。制御ユニット４０は、光源制御部４１、室温制御部４２、ＣＯ２制御部４３、培養液管理部４４及びシステムタイマを備えている。

光源制御部４１は、光源１５のオンオフ制御や光量子量の可変制御を行なう。光源制御部４１には、植物に照射する光源１５の制御を行なう日照制御データが記憶されている。この日照制御データには、１日の日長時間に応じた光量子量に関する日照制御パターンが含まれている。日長時間とは、その１日における明期の時間である。日照制御パターンには、パターン周期時間を２４時間として、日中の太陽光の日射パターンと同様に光量子量を調整するパターンが設定されている。

光源制御部４１は、日長時間に応じた日照制御データを用いて、光源１５に対してオンオフや光量子の可変制御の指示を行なう。
室温制御部４２は、温度検出部２１が検出した植物栽培施設１０の室温に基づいて、植物栽培施設１０内の室温が設定温度（２０℃〜２２℃）になるように空調装置２２を制御する。

ＣＯ２制御部４３は、植物栽培施設１０内の二酸化炭素濃度が設定濃度となるように、炭酸ガス供給部２５を制御する。この場合、ＣＯ２制御部４３は、ガス濃度検出部２３が検出した植物栽培施設１０のＣＯ２濃度に基づいて、オフィス排気の供給量を制御する。

培養液管理部４４は、貯蔵部３０において貯蔵された培養液の温度、養分濃度及び供給量を管理する。培養液管理部４４は、液温調整部３０ａから取得した液温情報に基づいて、培養液が所定の設定温度になるように、液温調整部３０ａの熱交換器を制御する。本実施形態においては、液温調整部３０ａにおける設定温度として、２０℃〜２２℃に設定される。また、培養液管理部４４は、培養液の養分濃度が所定値になるように、養分調整部３０ｂから取得した養分濃度情報に応じて、濃度調整部を制御する。

更に、培養液管理部４４は、供給ポンプ３３及び排出ポンプ３４の駆動を制御する。本実施形態では、培養液管理部４４は、供給ポンプ３３を常に駆動させて、一定の流速（例えば２０ｃｍ／ｓ程度）で、培養液を滞留部５１に供給する。一方、培養液管理部４４は、排出ポンプ３４を間欠的に駆動させる。排出ポンプ３４は、供給ポンプ３３よりも吐出量が大きいため、滞留部５１から培養液を排出する。これにより、培養液の液面は降下する。具体的には、培養液管理部４４は、滞留部５１に供給された培養液が、後述する培地収容部５５の上端部に到達するタイミングで、排出ポンプ３４を駆動する。そして、培養液管理部４４は、排出ポンプ３４の駆動開始から、培養液の液面が培地収容部５５の底面に到達するまでの時間、排出ポンプ３４の駆動を継続し、液面が底面より低くなった場合、排出ポンプ３４の駆動を停止する。

＜栽培床の構成＞
次に、図２を用いて、栽培床５０の詳細について、説明する。
栽培床５０の滞留部５１内には、複数の載置台５２が収納されている。この載置台５２の上には、培地収容部５５が固定されている。培地収容部５５は、上面が開口された箱形状を有している。培地収容部５５の側面及び底面には、多数の貫通孔５５ａが形成されている。なお、培地収容部５５の上端部は、滞留部５１の上端部よりも低くなっており、培地収容部５５が滞留部５１に内包されるように構成されている。

培地収容部５５の側面や底面には、水を通す不織布（図示せず）が貼り付けられており、この不織布の内部には、多数の粒状体５６が収納されている。この粒状体５６により人工培地が構成される。この粒状体５６は、直径約１ｍｍ、長さ２ｍｍ程度の円柱形状をした土色（例えば茶色）の合成樹脂で構成されている。そして、この粒状体５６によって構成された人工培地の中にワサビＷ１が植えられる。

更に、培地収容部５５の中央の上方（数ｃｍ）には、供給管３１の吐出口３１ａを配置する。本実施形態では、この吐出口３１ａからの培養液が、ワサビＷ１の根茎Ｒ１に掛かるように、供給管３１の吐出口３１ａの位置又はワサビＷ１の定植位置を調整する。
また、滞留部５１内で、培地収容部５５の外側には、排出管３２の先端部が、滞留部５１の底部近傍に配置されている。

＜植物生育方法＞
図１〜図３を用いて、上述した構成の植物栽培施設を用いた植物生育方法を説明する。

制御ユニット４０は、植物栽培施設１０内の室温（室内温度）を設定温度及びＣＯ２濃度、栽培床５０に供給する培養液の温度、養分濃度、光源１５の光量及び日長時間を一定に管理している。本実施形態では、室内温度及び培養液の温度は２０℃〜２２℃に管理する。また、制御ユニット４０は、光源の光量（ＰＰＦＤ）６５μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１、日長時間を１４時間、ＣＯ２濃度を７００〜９００ｐｐｍに管理する。

そして、制御ユニット４０は、貯蔵部３０の供給ポンプ３３を稼働して、供給管３１から一定流量の培養液を栽培床５０に供給する。この場合、供給管３１の吐出口３１ａから吐出される培養液は、ワサビＷ１の根茎Ｒ１に掛かり、滞留部５１に蓄積される。この培養液の供給により、根茎Ｒ１が浸漬している部分で乱流が生じる。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、滞留部５１に滞留する培養液の増加に伴って滞留部５１の液面が徐々に上昇する（下向き矢印）。
その後、制御ユニット４０は、排出ポンプ３４を駆動して、滞留部５１内の培養液を貯蔵部３０に排出する。この場合には、上向き矢印のように、滞留部５１の液面は、徐々に降下する。そして、培地収容部５５内のワサビＷ１の根茎Ｒ１が培養液から露出する。

そして、制御ユニット４０は、排出ポンプ３４の駆動を停止する。この場合、再び、供給ポンプ３３によって供給された培養液により、滞留した培養液の液面が上昇する。以上の処理を繰り返して、ワサビを生育する。

上述した生育方法は、以下の実験から得られた知見に基づくものである。
光量（ＰＰＦＤ）を６５μｍｏｌ・ｍ^−２・ｓ^−１、日長時間を１２時間、ＣＯ２濃度を７００〜９００ｐｐｍで育成した。ここで、培養液を植物に掛けて乱流を発生させた場合、温度環境として室温及び培養液の温度を２０℃〜２２℃の条件とし、養液濃度と光環境を適切に制御することで、ワサビの生育が可能であることが確認されている。上記条件下において、乱流を発生させていない液面に浸漬して生育した場合に比べて、ワサビの根腐れを抑制できた。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、培養液がワサビＷ１の根茎Ｒ１にかかるように、供給管３１の吐出口３１ａを配置する。根茎Ｒ１が配置される培養液の液面に乱流が発生し、この液流によって、根茎Ｒ１の近傍の培養液に酸素が取り込まれ、その培養液の溶存酸素量を増やすことができる。従って、冷却によって培養液中の溶存酸素量を増加させなくてもよいので、従来よりも高い温度の培養液を用いて、低コストでワサビＷ１の早期生育を効率的に行なうことができる。

（２）本実施形態では、制御ユニット４０は、供給ポンプ３３及び排出ポンプ３４を駆動して、滞留部５１における培養液の液面を上下させて、ワサビＷ１の根茎Ｒ１を培養液の液中から引き上げる。これにより、培養液の液面が降下した場合には、供給管３１から供給される培養液の落差により、乱流を起こし易くすることができる。また、根茎Ｒ１を培養液の液中から引き上げることにより、定期的に、根茎Ｒ１を乾燥させて、根腐れを抑制することができる。

（３）本実施形態では、ワサビＷ１は、合成樹脂で構成された多数の粒状体５６によって構成された人工培地に植えられている。これにより、土を培地として用いた場合に比べて、病害を抑制することができる。

（４）本実施形態では、制御ユニット４０は、植物栽培施設１０内の室温を設定温度及びＣＯ２濃度、栽培床５０に供給する培養液の温度、養分濃度、光源１５の光量及び日長時間を管理している。このため、ワサビＷ１の早期生育に適した環境を維持することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、培養液が、ワサビＷ１の根茎Ｒ１に掛かり、培養液の液面に乱流を発生させるように、供給管の吐出口３１ａを、培地収容部５５の上方に配置した。培養液の液面に乱流を発生させるための構造は、供給管３１の吐出口３１ａの位置に限られない。例えば、ワサビＷ１の近傍に、岩や段差、水車等の障害物を配置し、この障害物で培養液の流れを乱し、乱流を発生させてもよい。

・上記実施形態においては、ワサビＷ１を植えた人工培地を、合成樹脂製の円柱形状の多数の粒状体５６によって構成した。人工培地に用いる粒状体５６は、これに限られない。例えば、球体形状や半球体形状の粒状体を用いてもよいし、複数種類の粒状体を用いてもよい。
例えば、図４に示すように、小さい粒状体６５を大きい粒状体６６の上に配置してもよい。これにより、円滑に培養液を流すとともに、植物を安定して保持できる。

・上記実施形態においては、供給ポンプ３３、排出ポンプ３４を制御して、滞留部５１における培養液の液面の高さを変更する。液面の高さの変更方法はこれに限定されるものではない。例えば、「鹿威し」のように、蓄積された培養液を、機械機構により定期的に滞留部５１に供給する供給機構を用いてもよい。この場合、供給機構に一定速度で培養液を蓄積する。そして、蓄積量が基準量を超えた場合、重量バランスに応じて、蓄積された培養液を滞留部５１に一気に供給する。この場合、次回の培養液供給までに、滞留部５１から培養液がなくなるように、少しずつ培養液を排出する。これにより、機械的制御により、液面の高さを変更することができる。

・上記実施形態においては、制御ユニット４０は、植物栽培施設１０内の室温及びＣＯ２濃度、栽培床５０に供給する培養液の温度（液温）、光源１５の光量及び日長時間を上述した値に管理する。これらの具体的な数値は、状況や生育する植物に応じて変更可能である。また、光源１５のＬＥＤのスペクトルを最適制御した人工光を照射してもよい。

・上記実施形態においては、本発明を植物としてワサビＷ１の生育に適用した。適用対象の植物は、ワサビに限定されるものではなく、培養液において高い溶存酸素濃度が必要な植物に適用することができる。

Ｒ１…根茎、Ｗ１…ワサビ、１０…植物栽培施設、１５…光源、２１…温度検出部、２２…空調装置、２３…ガス濃度検出部、２５…炭酸ガス供給部、２６…気体供給管、２７…気体供給ポンプ、２８…気体供給バルブ、３０…貯蔵部、３０ａ…液温調整部、３０ｂ…養分調整部、３１…供給管、３１ａ…吐出口、３２…排出管、３３…供給ポンプ、３４…排出ポンプ、４０…制御ユニット、４１…光源制御部、４２…室温制御部、４３…ＣＯ２制御部、４４…培養液管理部、５０…栽培床、５１…滞留部、５２…載置台、５５…培地収容部、５５ａ…貫通孔、５６，６５，６６…粒状体。

Claims (6)

1. 植物の根茎を培養液に浸漬させて植物を生育する植物生育システムであって、
   前記植物が植えられる栽培床に培養液を供給する供給部と、
   前記培養液を排出する排出部とを備え、
   前記供給部により、前記栽培床に滞留する培養液の液面に乱流が生じるように培養液を供給し、
   前記乱流が生じる液面の領域に、前記根茎を配置することを特徴とする植物生育システム。
2. 前記供給部及び排出部により、前記栽培床に蓄積される液量を制御して液面の高さを変更する制御部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の植物生育システム。
3. 前記培養液が、直接、前記植物に掛かる位置に、前記供給部を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の植物生育システム。
4. 前記栽培床を、多数の粒状物が配置された培地により構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の植物生育システム。
5. 前記植物としてワサビを用い、
   前記培養液の温度を、ワサビに適した条件で制御する管理部を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の植物生育システム。
6. 育成環境を管理可能な空間において、植物の根茎を培養液に浸漬させて植物を生育する植物生育方法であって、
   前記培養液の温度を管理しながら、
   前記培養液の液面に乱流が生じるように、前記培養液を供給し、
   前記乱流が生じる液面の領域に、前記根茎を配置することを特徴とする植物生育方法。