JP5334188B2 - 栽培植物局部微小水滴吐出装置および栽培植物局部微小水滴吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、栽培植物の局所に対して微小水滴の吐出を行うための装置および方法に関する。

ビニールハウスや植物工場などによって、野菜や果物などの植物を栽培することは盛んに行われているが、夏場において室温が上昇することなどによって植物体温が上昇し、結果として栽培植物に過大なストレスがかかることを防止するために、冷房が行われている。

ビニールハウスや植物工場などの冷房方法として、噴霧ノズルによって細霧を室内に吐出して、顕熱を潜熱化することによって室内の気温を下げることが非特許文献１や特許文献１，２などに記載されている。これらの文献に記載されている細霧吐出は、室内全体の気温の低下、すなわち冷房を目的としたものであり、例えば栽培植物よりできるだけ離れた場所より、ビニールハウスの空気全体に対して広く細霧を吐出している。

また、非特許文献２には、栽培植物の局所に対して細霧を吐出して成長点の冷却を行う栽培植物局部冷却装置が記載されている。

特開２００７−３１９０２３号公報 特開２００３−９６７８号公報

古在豊樹、後藤英司、富士原和宏、最新施設園芸学、Ｐ９３，２００６年１月、朝倉書店 松永崇志，愛媛大学農学部生物環境情報システム学（学部）・施設生産システム学（修士）研究発表論文集１１巻（２００８年），Ｐ２７

非特許文献１、特許文献１および特許文献２などの細霧による冷房は、短時間で室温を下げることができるという効果を有する。しかし、冷房効果の持続時間は短い。図１は従来の細霧冷房による室温の変化を示すグラフである。細霧を噴出後すぐに室温は低下し始めるが、約３０秒後には室温は上昇に転じる。結局、２分程度しか冷房効果は持続しない。

また、室内全体に大量の水を細霧として吐出する必要があり、エネルギー効率は高くない。さらに、栽培植物の部位によって冷却の必要性の程度は異なるので、植物全体を一律に冷却するのでは適切な環境制御は行えない。

一方、非特許文献２に記載された栽培植物局部冷却装置および栽培植物局部冷却装置は、栽培植物の最も冷却を必要とする部位のみを効果的に冷却することができる。しかし、日射により蒸散が盛んになるため、栽培植物は高温ストレスのほかに水ストレスを受ける。非特許文献２には、水ストレスの防止に関する記載はない。

この発明は、スピーキング・プラント・アプローチ（ＳＰＡ）の概念に基づき、植物の状態に合った適切な局所環境制御システムを提供することを目的とする。

上記の目的を解決するために、この発明の栽培植物局部微小水滴吐出装置は、栽培植物の局所に対して微小水滴を吐出する噴霧ノズルと、微小水滴の吐出を制御する制御装置と、日射センサを有し、所定時間における積算日射量が閾値を超えるときに微小水滴の吐出を行う。たとえば、トマトなどの栽培植物に対して、１時間積算日射量が１ＭＪを超えるときにときに微小水滴の吐出を行う。また、一回の吐出の時間が１分以内であることが好ましい。

この発明の栽培植物局部微小水滴吐出方法は、日射センサにより所定時間における積算日射量を測定し、積算日射量が閾値を超えるときに噴霧ノズルより栽培植物の局所に対して微小水滴の吐出を行う。たとえば、１時間積算日射量が１ＭＪを超えるときにときに微小水滴の吐出を行う。一回の吐出の時間が１分以内であることが好ましい。

この発明の栽培植物局部微小水滴吐出装置および栽培植物局部微小水滴吐出方法によれば、栽培植物の状態に合わせて微小水滴を吐出し、栽培植物の水ストレスを効果的に緩和することができる。また、適切なタイミングに適切な量の微小水滴を供給することにより、ビニールハウスや植物工場などの栽培施設室内の環境を大きく変化させることなく、植物の局所環境を制御することができる。

従来の細霧冷房による室温の変化を示すグラフである。 栽培植物局部微小水滴吐出装置の概要を示す側面図である。 同正面図である。 葉温および光合成速度の時間変化を示すグラフである。 噴霧時間と噴霧間隔を変えた場合の葉温温室内気温および相対湿度の変化を示すグラフである。 日射量と葉の水ポテンシャルの変化を示すグラフである。 積算日射量と葉の水ポテンシャルの関係を示すグラフである。

この発明を実施するための形態について説明する。図２は栽培植物局部微小水滴吐出装置の概要を示す側面図、図３は同正面図である。ビニールハウスや植物工場などの栽培施設１内に設置した例である。

栽培施設１内には栽培ベッド２が設けられており、この栽培ベッド２で植物３が栽培されている。植物としては、例えばトマト、キュウリ、ナス、パプリカなどに適用することができる。

パイプ４は栽培ベッド２に沿って設けられており、このパイプ４に噴霧ノズル５が設けられている。噴霧ノズル５は微細な水滴を吐出するもので、例えば細霧冷房用として市販されているノズルを使用することができる。

従来の細霧冷房においては、できるだけ細霧が植物体に付着しないようにするため、細霧吐出部は植物体から離れた位置に置かれており、栽培ベッドとそれに隣接する栽培ベッドの間の天井付近に設置されている。しかし、この発明では、噴霧ノズル５は、植物体の局部に微小水滴が吐出される位置に設けられる。

微小水滴吐出の対象の部位としては、細胞分裂が盛んで植物の発育に重要な成長点や、花芽などが挙げられるが、ここでは成長点を選択している。トマトなどの植物工場における栽培では、栽培期間中、成長点が一定の高さに固定されるため、この高さに合わせてパイプ４および噴霧ノズル５を設置する。ここではパイプ４としてスチール管を用い、南北方向にひとつずつ噴霧口を有する噴霧ノズル５が２ｍ間隔で置かれ、噴霧ノズル５は噴霧口が水平面から１５°上に向くように設けた。水はポンプ（図示省力）によって水タンク６からパイプ４を介して噴霧ノズル５へ供給される。供給された水が粒径約３０μmの微小水滴となって噴霧ノズル５の噴霧口から成長点付近に噴霧される。

また、この栽培植物局部微小水滴吐出装置は微小水滴の吐出を制御する制御装置７を有する。制御装置７によってポンプの作動・停止を制御してもよいが、制御弁８の開閉によって微小水滴の吐出を制御することもできる。スピーキング・プラント・アプローチ（ＳＰＡ）の概念に基づき、環境や植物の状態に関する情報に対応して微小水滴吐出を行うことができる。例えば室内に設けられた温度計や湿度計などによって、制御装置７は植物の水ストレスの状態を予測し、微小水滴の供給が必要となったときに微小水滴を吐出させることができる。ここでは、葉温測定装置９としてサーモグラフィ（サーモトレーサー、ＮＥＣ三栄：ＴＨ９１００ＭＬＮ）を使用し、冷却対象部位付近の葉温を観測し、その葉温データに基づいて微小水滴の吐出を制御できるようにしている。サーモグラフィを植物３から３ｍ程度の距離において測定した。

また、日射センサ１０が備えられており、日射量に基づいても微小水滴の吐出を制御できる。たとえば、日射センサ１０による日射量のデータを経時的に積算し、所定時間における積算日射量が閾値を超えるときに微小水滴の吐出を行う。

さらに、温室内の気温および相対湿度は、床面から３０ｃｍの高さに設置した通風式乾湿球計１１で測定する。群落上部の葉温の経時変化は、床面から約３ｍの高さに設置した超小型デジタル放射温度センサ１２(KEYENCE, 96M1354)で測定する。

つぎに、栽培植物局部微小水滴吐出装置による栽培植物局部微小水滴吐出方法の形態について説明する。ここでは、愛媛県松山市樽味にある愛媛大学農学部附属制御化農業実験実習施設の調節温室にて実施した例で説明する。栽培植物としては、トマトの桃太郎ファイト(Salanum Iycopersicum L., 品種 Momotaro-Faito)を使用した。

植物の葉面に微小水滴を吐出し、葉温および光合成速度を測定した。葉温はサーモトレーサーにより測定した。光合成速度は、ＬＥＤ冷光光源（ＬＩ−ＣＯＲ：６４００−０２Ｂ）を使用し、光強度ＰＰＦＤ７００ μｍｏｌ ｍ^-2ｓ^-1で、光合成蒸散測定装置（ＬＩ−ＣＯＲ：ＬＩ−６４００）を用いて測定した。トマト葉をリーフチャンバーに固定し、気温、葉温、光合成速度が安定した後、リーフチャンバーを開け、葉面の裏側に微小水滴を吐出し、再びリーフチャンバーを閉めて葉温と光合成速度を測定した。図４は葉温および光合成速度の時間変化を示すグラフである。

微小水滴の吐出によって葉温が低下したことが確認できる。しかも、葉温低下は１０分程度も持続しており、従来の細霧冷房に比べて植物体への冷却効果の持続時間が大幅に向上していることがわかる。

これまでは、植物に微小水滴を直接吐出すると水滴が付着し、光合成が阻害されると考えられてきた。そのため、細霧冷房においては吐出ノズルを植物からできる限り遠ざけて設置していた（例えば特許文献１の００２２段落）。しかし、この方法によれば、微小水滴の吐出量を適切に管理する限り、光合成を阻害せずに葉温を低下させることができる。図４においても、光合成速度がほとんど低下しないことがわかる。なお、吐出時に光合成速度のグラフが落ち込んでいるのは、リーフチャンバーの開閉によってデータが一時的に取得できなかったことによるものであり、光合成速度の低下を示すものではない。

以上、図２、図３に示す栽培植物局部微小水滴吐出装置によって、光合成を阻害せずに葉温を低下させることができる。冷却効果は長時間持続する。従来の細霧冷房に比べて、はるかに少ない水滴の吐出でよく、水やエネルギーの消費は小さい。

この発明の実施例について説明する。愛媛大学農学部内の太陽光利用型知的植物工場に設置した。まず、１回あたりの微小水滴吐出を１０秒間、微小水滴吐出の間隔を２分間とした。このように成長点に対して微小水滴吐出を行った区域（噴霧区）の外に、微小水滴吐出を行わない対照区も設けた。試験は２００８年８月に行った。栽培植物として、定植後４．５ヶ月経過した葉群の高さ約２ｍのトマト(Salanum lycopersicum L., 品種: 桃太郎８)群落を用いた。温室内の気温および相対湿度は、床面から３０ｃｍの高さに設置した通風式乾湿球計１１で測定し、日射量は温室内の遮光カーテンの上に設置した日射センサ１０で測定した。群落上部の葉温の経時変化は，床面から約３ｍの高さに設置した超小型デジタル放射温度センサ１２で測定し、葉温画像はサーモトレーサー９で測定した。また、植物体の水ストレス状態の指標となる水ポテンシャルは、プレッシャーチャンバーを用いて測定した。水ポテンシャルの測定は、成長点の直下の葉を対象とし、1回の測定につき各区５葉を用いた。測定間隔は１〜２時間、測定時間帯は１２：００〜１６：００とした。

トマト群落の上層部の葉温を測定したところ、日射が直接あたることで葉温が５〜６℃上昇することがわかった。図５に、噴霧時間および噴霧間隔を変えた場合の葉温、温室内気温および相対湿度の変化を示す。噴霧時間と噴霧間隔に関わらず、葉温は低く保たれていることがわかる。ただし、噴霧時間が1分間を超えると温室内気温の低下と相対湿度の上昇が認められた。気温が下がるほどの長時間(１分間以上)の連続噴霧を行っても成長点付近の葉温を下げる効果が高まることはない。また、噴霧時間と噴霧間隔を短くすることで温室内環境を変化させることなく成長点付近の葉温を効率良く低下させられることを示している。したがって、一回の吐出の時間は１分以内であることが好ましい。

図６に日射量と葉の水ポテンシャルの変化、図７に１時間積算日射量と葉の水ポテンシャルの関係を示す。対照区では、日射量の増加に伴って葉の水ポテンシャルが低下し、１時間積算日射量が１ＭＪを超えると水ストレスの影響が強くなる。２ＭＪ以上になると−０．９ＭＰａを下回るようになり、目視でもしおれが観察された。一方，噴霧区の葉の水ポテンシャルは、１時間積算日射量が２ＭＪ以上となる場合でも−０．７ＭＰａ前後の値を維持していた。以上の結果は、この発明の栽培植物局部微小水滴吐出装置および栽培植物局部微小水滴吐出方法が夏季の高温ストレスおよび水ストレス緩和に有効であることを示していた。特に、１時間積算日射量が１ＭＪを超えるときにときに微小水滴の吐出を行うことによって、栽培植物の水ストレスを適切に制御することができる。

１．ビニールハウス
２．栽培ベッド
３．植物
５．噴霧ノズル
７．制御装置
９．葉温測定装置（サーモグラフィ）
１０．日射センサ

Claims (6)

1. 栽培植物の成長点に対して微小水滴を吐出する噴霧ノズルと、微小水滴の吐出を制御する制御装置と、日射センサを有し、所定時間における積算日射量が閾値を超えるときに微小水滴の吐出を行う栽培植物局部微小水滴吐出装置。
2. １時間積算日射量が１ＭＪを超えるときにときに微小水滴の吐出を行う請求項１に記載の栽培植物局部微小水滴吐出装置。
3. 一回の吐出の時間が１分以内である請求項１または請求項２に記載の栽培植物局部微小水滴吐出装置。
4. 日射センサにより所定時間における積算日射量を測定し、積算日射量が閾値を超えるときに噴霧ノズルより栽培植物の成長点に対して微小水滴の吐出を行う栽培植物局部微小水滴吐出方法。
5. １時間積算日射量が１ＭＪを超えるときにときに微小水滴の吐出を行う請求項４に記載の栽培植物局部微小水滴吐出方法。
6. 一回の吐出の時間が１分以内である請求項４または請求項５に記載の栽培植物局部微小水滴吐出方法。
   

Images