JP2019170247A

JP2019170247A - 光合成速度計測システム

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Publication number: JP2019170247A
Application number: JP2018062412A
Authority: JP
Inventors: 弘太郎 ▲高▼山; Kotaro Takayama; 耕太下元; Kota Shimomoto; 弘重仁科; Hiroshige Nishina; 憲子高橋; Noriko Takahashi; 一恵稲葉; Kazue Inaba
Original assignee: Plant Data; Plant Data Co Ltd; Ehime University NUC
Current assignee: Plant Data; Plant Data Co Ltd; Ehime University NUC
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: US20210007288A1; JP7181518B2; WO2019188848A1; EP3777516A1; EP3777516A4

Abstract

【課題】簡易な構成で植物の光合成速度を算出するために、二酸化炭素濃度を計測可能な光合成速度計測システムを提供する。【解決手段】植物の光合成速度計測システム１００であって、対象植物９を被覆する被覆部１と、筐体と、前記被覆部内外の二酸化炭素濃度を交互に計測するセンサと、を備え、前記センサは、前記筐体内に設けられ、前記筐体の内部に、前記筐体に流入する空気の流れを撹拌する空気撹拌部が設けられる、システムが提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、植物の光合成速度を計測可能な光合成速度計測システムに関する。

植物の光合成速度を計測するシステムが知られている。

特許文献１には、光合成サンプルを正確にかつより簡単に評価することが可能な評価システムが開示されている。

特開２０１７−４４５３１号公報

本発明は、簡易な構成で植物の光合成速度を算出するために、二酸化炭素濃度を計測可能な光合成速度計測システムを提供するものである。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

本発明によれば、植物の光合成速度計測システムであって、対象植物を被覆する被覆部と、筐体と、前記被覆部内外の二酸化炭素濃度を交互に計測するセンサと、を備え、前記センサは、前記筐体内に設けられ、前記筐体の内部に、前記筐体に流入する空気の流れを撹拌する空気撹拌部が設けられる、システムが提供される。

本発明によれば、対象植物を被覆する被覆部と、筐体と、被覆部内外の二酸化炭素濃度を交互に計測するセンサと、を備える光合成速度計測システムが提供される。具体的には、センサは、筐体内に設けられる。また、筐体の内部に、筐体に流入する空気の流れを撹拌する空気撹拌部が設けられる。空気撹拌部を設けることにより、空気の流れが撹拌され、センサと空気の接触が促進される。これにより、センサの応答速度が向上する。

好ましくは、前記センサは、前記被覆部への空気の流入側と吹出側の二酸化炭素濃度の濃度差を計測可能に構成され、前記空気撹拌部は、前記被覆部への空気の流入側又は吹出側の空気の二酸化炭素の濃度の変化に起因する前記センサの応答速度を向上させるように設けられる。
好ましくは、前記空気撹拌部は、前記筐体の内部において前記センサと空気が接する面に対向するように設けられる。
好ましくは、前記被覆部は、天蓋及び被覆シートを備え、前記天蓋は、対象植物の上側に配置され、前記被覆シートは、対象植物の周囲を覆うように配置され、前記被覆シートは、複数のシートが被覆する重複部分を備えるように構成される。
好ましくは、蓋及びコードを備え、前記天蓋に孔が設けられ、前記蓋は、前記コードを挿通可能な挿通部と、前記蓋の外縁から前記挿通部に通じるスリットと、を備え、前記蓋は、平面視において、前記挿通部が前記孔と重なり、且つ、前記孔を覆うように配置され、前記コードは、前記挿通部を介して前記孔に挿通される。
好ましくは、前記スリットは、前記蓋の外縁に向けて前記スリットの幅が大きくなるように構成される。
好ましくは、前記孔の直径ｒと、前記蓋の直径Ｒは、「２＜Ｒ／ｒ」の関係を満たすように構成される。
好ましくは、前記天蓋に排気用ファンが設けられる。

本発明の一実施形態に係るシステム１００を表す斜視図である。被覆部１の重複部分を表す斜視図である。天蓋１０の一例を表す平面図である。図４Ａは蓋２と孔１１の位置関係を表す平面視である。図４Ｂは蓋２の詳細形状を表す平面図である。センサ４の配置を表す模式図である。図６Ａは、図１のＸ方向から見た、システム１００にセンサ４を配置した様子を表す模式図である。図６Ｂは、図６Ａにおける、他の経路から空気Ｍを吸入する様子を表す模式図である。図７Ａは、空気撹拌部５１がない場合における、筐体５内の空気の流れを表す模式図である。図７Ｂは、空気撹拌部５１がある場合における、筐体５内の空気の流れを表す模式図である。空気撹拌部５１の意義を説明するための実験結果の一例である。空気撹拌部５１の意義を説明するための実験結果の一例である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

１．システム１００
図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態に係る植物の光合成速度計測システムについて説明する。以下、光合成速度計測システムをシステム１００と称する。

システム１００は、植物９の周辺の二酸化炭素濃度を測定し、二酸化炭素濃度から植物９の光合成速度を算出するものである。本実施形態に係るシステム１００により、植物９の光合成速度をリアルタイムに算出することができる。この算出結果に基づいて、光合成速度を増大させるために、植物９周辺の二酸化炭素濃度を調節する等といった環境調節に活用することができる。

図１、図５、図６に示すように、システム１００は、対象植物９を被覆する被覆部１と、筐体５と、被覆部１内外の二酸化炭素濃度を交互に計測するセンサ４を備える。図５に示すように、本実施形態では、筐体５内にセンサ４が設けられる。センサ４は、二酸化炭素センサ４１及び水蒸気センサ４２を備える。ここで、二酸化炭素センサ４１は、被覆部１内外の二酸化炭素濃度を計測するものである。また、水蒸気センサ４２は、植物９の蒸散速度を算出するために、被覆部１内外の水蒸気濃度を計測するものである。そして、図７Ｂに示すように、筐体５の内部に、筐体５に流入する空気の流れを撹拌する空気撹拌部５１が設けられる。

また、図１、図３、図４に示すように、に示すように、被覆部１は、天蓋１０及び被覆シート１２を備える。天蓋１０は、対象植物９の上側に配置され、被覆シート１２は、対象植物９の周囲を覆うように配置される。天蓋１０の素材は特に限定されないが、透明であることが好ましい。例えば、アクリル樹脂等の透明素材により、天蓋１０を形成することができる。また、図２に示すように、本実施形態では、被覆シート１２は、複数のシートが被覆する重複部分を備えるように構成される。これは、主に複数の被覆シートの境目から被覆部１内に被覆部１外の空気が流入するのを防ぐ目的のものであるが、これに加えて、被覆部１により被覆された植物９の手入れを容易にするものである。すなわち、複数のシートが被覆する重複部分を備えるように被覆シート１２を構成することにより、重複部分の被覆シート１２をめくりあげ、被覆部１内に手を入れやすくすることにより、植物９の手入れを容易にするものである。重複部分の重複幅は特に限定されないが、１ｃｍ以上が好ましく、３ｃｍ以上がさらに好ましい。

図３及び図４に示すように、天蓋１０には、孔１１が設けられ、蓋２は、コード３を挿通可能な挿通部２１と、蓋２の外縁から挿通部２１に通じるスリット２２と、を備える。蓋２は、平面視において、挿通部２１が孔１１と重なり、且つ、孔１１を覆うように配置される。そして、図１に示すように、天蓋１０の上方には、ワイヤー３３が配設される。また、ワイヤー３３に取り付けられたボビン３４に巻かれたコード３が、蓋２に設けられた挿通部２１を介して天蓋１０の孔１１に挿通され、植物９を保持する。本実施形態では、ボビン３４を巻き取ることにより、ボビン３４外のコード３の長さを短くすることができる。逆に、コード３をボビン３４から引き出すことにより、ボビン３４外のコード３の長さを長くすることができる。このように、ボビン３４に巻きつけたコード３を被覆部１内に垂下させるために、天蓋１０に孔１１を設ける必要がある。しかし、被覆部１内の二酸化炭素濃度を計測するために、孔１１を塞ぐ目的で蓋２を設けている。

図４Ａに示すように、本実施形態では、スリット２２は、幅広部２３を備える。幅広部２３は、蓋２の外縁に向けてスリット２２の幅が大きくなるように構成される。これにより、幅広部２３からコード３を差し込み、スリット２２を通して挿通部２１にコード３を挿通することが容易になる。

図４Ａに示すように、孔１１の直径ｒと、蓋２の直径Ｒは、「２＜Ｒ／ｒ」の関係を満たすように構成されることが好ましい。これにより、天蓋１０に孔１１を設け、孔１１を覆うように蓋２を配置し、挿通部２１にコード３を挿通することにより、コード３が孔１１から抜けることを防止することができる。換言すると、蓋２が移動した場合でも、孔１１が常に防がれた状態を維持する。Ｒ／ｒの値は、好ましくは、２．１〜３．０、さらに好ましくは、２．４〜２．６である。具体的には例えば、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

蓋２の形状は、平面視において、挿通部２１が孔１１と重なり、且つ、孔１１を覆うように配置可能であれば特に限定されないが、例えば図４Ｂに示すように、蓋２の直径Ｒを２２０ｍｍ、挿通部２１の直径を１０ｍｍ、スリット２２の幅を３ｍｍ、蓋２の外縁における幅広部２３の幅を１０ｍｍ、幅広部２３の長さを５ｍｍとすることができる。

また、図１に示すように、ワイヤー３３に取り付けられた複数の長さ調節コード３１が天蓋１０の角部に取り付けられる。長さ調節コード３１にはそれぞれ、長さ調節部３２が設けられる。長さ調節部３２を調整することにより、長さ調節コード３１の長さを調整し、植物９の高さに合わせて被覆部１を適切に被覆することが可能になる。

図１及び図３に示すように、天蓋１０に排気用ファン６が設けられる。排気用ファン６は、天蓋１０を貫通しており、被覆部１内の空気を被覆部１外に排気するものである。そして、被覆シート１２の下部には、植物９の根を含む根把持部７が設けられる。根把持部７は、ロックウール７１及びスラブ７２により構成される。ただし、根把持部７については、植物９の生育を維持することができれば特に限定されず、土壌や湛水等でも構わない。また、天蓋１０には日射計８が設けられる。

２．センサ４
次に、図５及び図６を用いて、センサ４について説明する。図５に示すように、本実施形態では、筐体５内にセンサ４が設けられる。センサ４は、二酸化炭素センサ４１及び水蒸気センサ４２を備える。また、筐体５に空気を導入するためのエアポンプ４３及び三方向電磁弁４４が設けられる。三方向電磁弁４４により、筐体５に導入する空気を空気Ｌ又は空気Ｍのいずれかに切り替え、エアポンプ４３により空気Ｌ又は空気Ｍをセンサ４側に導入する。ここで、空気Ｍは、被覆部１内に流入する空気（被覆部１外の空気）を表す。また、空気Ｌは、被覆部１外に排気される空気を表す。

本実施形態では、二酸化炭素センサ４１は、被覆部１内への空気の流入側と吹出側の二酸化炭素濃度の濃度差を計測可能に構成される。換言すると、二酸化炭素センサ４１は、被覆部１内に流入する空気と被覆部１外に排出される空気の二酸化炭素濃度の濃度差を計測可能なように構成される。つまり、二酸化炭素センサ４１は、二酸化炭素の濃度の差分を検出するセンサであるといえる。なお、二酸化炭素センサ４１はこれに限定されず、二酸化炭素の濃度を直接検出するセンサを用いることもできる。

３．空気撹拌部５１
次に、図７を用いて、空気撹拌部５１について説明する。図７Ｂに示すように、本実施形態では、筐体５の内部に、筐体５内を流れる空気の流れを撹拌する空気撹拌部５１が設けられる。空気撹拌部５１の形状は特に限定されないが、図７Ｂの例では、複数の突起形状の空気撹拌部５１を採用している。また、本実施形態では、空気撹拌部５１は、筐体５の内部においてセンサ４（二酸化炭素センサ４１）と空気が接する面（接触面Ｓ）に対向するように設けられる。これにより、空気の流れが乱され、空気とセンサ４（二酸化炭素センサ４１）の接触が促進される。この結果、空気撹拌部５１により、筐体５に導入する空気を、被覆部１に流入する空気から排出される空気（又は、被覆部１から排出する空気から流入する空気）に切り替えた際の二酸化炭素の濃度の変化に起因するセンサ４（二酸化炭素センサ４１）の応答速度が向上する。

一方、図７Ａに示すように、空気撹拌部５１を設けない場合、空気の流れが撹拌されず、空気とセンサ４（二酸化炭素センサ４１）の接触が促進されない。

４．空気撹拌部５１の意義
次に、図８及び図９を用いて、空気撹拌部５１の意義について説明する。図８に示されるグラフは、センサ４（二酸化炭素センサ４１）の応答速度について、基準（コントロール１）と３つの比較区（流路Ａ〜Ｃ）を設けて行った実験結果を表すグラフである。具体的には、センサ４（二酸化炭素センサ４１）と空気が接する面（接触面Ｓ）に空気撹拌部５１を有さない基準（コントロール１）と、センサ４（二酸化炭素センサ４１）と空気が接する面接触面Ｓに空気撹拌部５１を設けた流路Ａ〜流路Ｂ、さらには、センサ４（二酸化炭素センサ４１）から離れた箇所に空気撹拌部５１を設けた流路Ｃを準備した。筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を３８０ｐｐｍから４２０ｐｐｍに変化させた場合における、センサ４（二酸化炭素センサ４１）から出力される二酸化炭素濃度を規格化したものが図８に示されている。図８の例では、時刻０の時点で筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を３８０ｐｐｍから４２０ｐｐｍに変化させ、時刻ｔ１の時点で筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を４２０ｐｐｍから３８０ｐｐｍに変化させた。

図８に示されるグラフから明らかなように、基準（コントロール１）と流路Ｃの場合（グラフ中のＣ１と流路Ｃ）、正規化した二酸化炭素濃度が０．９に到達するまでの応答時間（０→９０％）は４６秒である。一方、流路Ａ及び流路Ｂの場合、応答時間（０→９０％）は３７秒であり。また、流入空気の二酸化炭濃度を４２０ｐｐｍから３８０ｐｐｍに変化させた場合の応答時間（０→９０％）も同様である。この結果より、センサ４（二酸化炭素センサ４１）と空気が接する面（接触面Ｓ）に空気撹拌部５１を設けることにより、センサ４（二酸化炭素センサ４１）の応答性が向上することが分かる。

また、図９に示されるグラフは、センサ４（二酸化炭素センサ４１）の応答速度について、基準（コントロール２）と３つの比較区（流路Ａ〜Ｃ）を設けて行った実験結果を表すグラフである。具体的には、基準（コントロール２）と、センサ４（二酸化炭素センサ４１）付近に設けた流路Ｄ〜流路Ｆ（空気撹拌部５１に相当）を準備し、筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を３８０ｐｐｍから４２０ｐｐｍに変化させた場合における、センサ４（二酸化炭素センサ４１）から出力される二酸化炭素濃度を規格化したものが図９に示されている。図９の例では、時刻０の時点で筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を３８０ｐｐｍから４２０ｐｐｍに変化させ、時刻ｔ１の時点で筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を４２０ｐｐｍから３８０ｐｐｍに変化させた。

図９に示されるグラフから明らかなように、基準（コントロール２）の場合（グラフ中のＣ２）、正規化した二酸化炭素濃度が１に到達するまでの応答時間（０→１００％）は約７０秒である。一方、流路Ａ〜流路Ｃの場合、応答時間（０→１００％）は約６０秒である。また、基準（コントロール２）の場合（グラフ中のＣ２）、筐体５内に導入する空気の二酸化炭素濃度を４２０ｐｐｍから３８０ｐｐｍに変化させてから正規化した二酸化炭素濃度が０に到達するまでの応答時間（１００→０％）は約１２０秒であり、一方、流路Ａ〜流路Ｃの応答時間（１００→０％）は約８０秒であった。この結果より、センサ４（二酸化炭素センサ４１）の付近に空気撹拌部５１を設けることにより、センサ４（二酸化炭素センサ４１）の応答性が向上することが分かる。

このように、図８及び図９の結果より、センサ４（二酸化炭素センサ４１）付近に空気撹拌部５１を設けることにより、センサ４（二酸化炭素センサ４１）の応答速度が向上することが示された。

４．光合成速度の算出
次に、センサ４（二酸化炭素センサ４１）を用いて計測した二酸化炭素濃度を用いて、植物９の光合成速度を算出する方法について説明する。光合成速度Ａは、例えば以下の数式で算出される。

＜数式＞Ａ＝Ｆ（Ｃ_ｉｎ―Ｃ_ｏｕｔ）

Ａ：光合成速度
Ｆ：排気用ファン６による排気量（ｍｏｌｍｉｎ^−１）
Ｃ_ｉｎ：被覆部１に流入する空気の二酸化炭素濃度（μｍｏｌｍｏｌ^−１）
Ｃ_ｏｕｔ：被覆部１から排出される空気の二酸化炭素濃度（μｍｏｌｍｏｌ^−１）

これにより、センサ４（二酸化炭素センサ４１）で計測した二酸化炭素濃度に基づいて、植物９の光合成速度を算出することが可能になる。

５．その他
本発明のシステム１００は、以下の態様でも実施可能である。
・植物９の光合成速度をリアルタイムで算出し、情報処理装置を用いて光合成速度の推移をリアルタイムに可視化する。
・太陽光が弱く、被覆部１に流入する空気と被覆部１から排出される空気の二酸化炭素濃度差が小さくなると、複数（例：３個）の排気用ファン６のうち、所定数（例：２個）の排気用ファン６を停止する。
・排気用ファン６を複数設けることに代えて、出力調整可能な排気用ファンを用いる。

１：被覆部
２：蓋
３：コード
４：センサ
５：筐体
６：排気用ファン
７：根把持部
８：日射計
９：植物
１０：天蓋
１１：孔
１２：被覆シート
２１：挿通部
２２：スリット
２３：幅広部
３１：調節コード
３２：調節部
３３：ワイヤー
３４：ボビン
４１：二酸化炭素センサ
４２：水蒸気センサ
４３：エアポンプ
４４：三方向電磁弁
５１：空気撹拌部
７１：ロックウール
７２：スラブ
１００：システム
Ｓ：接触面

Claims

植物の光合成速度計測システムであって、
対象植物を被覆する被覆部と、
筐体と、
前記被覆部内外の二酸化炭素濃度を交互に計測するセンサと、
を備え、
前記センサは、前記筐体内に設けられ、
前記筐体の内部に、前記筐体に流入する空気の流れを撹拌する空気撹拌部が設けられる、
システム。
前記センサは、前記被覆部への空気の流入側と吹出側の二酸化炭素濃度の濃度差を計測可能に構成され、
前記空気撹拌部は、前記被覆部への空気の流入側又は吹出側の空気の二酸化炭素の濃度の変化に起因する前記センサの応答速度を向上させるように設けられる、
請求項１に記載のシステム。
前記空気撹拌部は、前記筐体の内部において前記センサと空気が接する面に対向するように設けられる、
請求項１又は請求項２に記載のシステム。
前記被覆部は、天蓋及び被覆シートを備え、
前記天蓋は、対象植物の上側に配置され、
前記被覆シートは、対象植物の周囲を覆うように配置され、
前記被覆シートは、複数のシートが被覆する重複部分を備えるように構成される、
請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のシステム。
蓋及びコードを備え、
前記天蓋に孔が設けられ、
前記蓋は、前記コードを挿通可能な挿通部と、前記蓋の外縁から前記挿通部に通じるスリットと、を備え、
前記蓋は、平面視において、前記挿通部が前記孔と重なり、且つ、前記孔を覆うように配置され、
前記コードは、前記挿通部を介して前記孔に挿通される、
請求項４に記載のシステム。
前記スリットは、前記蓋の外縁に向けて前記スリットの幅が大きくなるように構成される、
請求項５に記載のシステム。
前記孔の直径ｒと、前記蓋の直径Ｒは、「２＜Ｒ／ｒ」の関係を満たすように構成される、
請求項５又は請求項６に記載のシステム。
前記天蓋に排気用ファンが設けられる、
請求項４〜請求項７の何れか１つに記載のシステム。