JP5498904B2 - 作物育成システム - Google Patents

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Description

本発明は、作物の成長を促進する作物育成システムに関する。
従来から、作物に対して人工光を照射することによって、その作物の成長速度や開花時期等を調節する作物育成方法が知られている。例えば、キク等の短日植物及び中性植物の成長は、これらの植物に対して遠赤色光を日没後に照射することによって促進されることが報告されている（特許文献１参照）。
この短日植物及び中性植物の成長促進方法では、単色光である遠赤色光が作物に対して照射される。しかし、作物に対して照射される光は、必ずしも単色光である必要はなく、波長の異なる複数の光であってもよい。
波長の異なる２種の光を利用する作物育成方法の一つの例として、ナス科植物（トマト）に対して赤色光及び遠赤色光の少なくともいずれかを日没後１〜３時間照射することによって、高糖度のトマトを得る方法が報告されている（特許文献２参照）。
また、別の例として、短日植物の開花時期を早める短日処理方法が報告されている（特許文献３参照）。この方法では、短日植物の光周期における明期の開始期近傍及び終了期近傍のいずれか一方又は両方において、短日植物に対して赤色光と遠赤色光とが同時に照射される。
特開２００６−６７９４８号公報 特開２００７−２８２５４４号公報 特開２００９−１３６１５５号公報
しかしながら、上記特許文献１に示される方法においては、作物に対して照射される遠赤色光は、弱い成長促進効果しか示さない。
上記特許文献２に示される方法においては、作物に対して照射される赤色光及び遠赤色光の少なくともいずれかの光は、トマトの糖度を高めるものであって、必ずしもトマトの成長を促進するものではない。また、この方法は、トマトに限定された方法であり、必ずしも他の作物に応用できるものではない。
上記特許文献３に示されるシステムにおいては、短日植物に対して同時に照射される赤色光及び遠赤色光は、短日植物の開花時期を早めるものであって、必ずしも短日植物の成長を促進するものではない。
本発明は、上記課題を解決するものであって、顕著に作物の成長を促進する作物育成システムを提供することを目的とする。
本発明の作物育成システムは、作物に対して６１０〜６８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する赤色光を照射する第１の光源と、作物に対して６８５〜７８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する遠赤色光を照射する第２の光源と、第１の光源と第２の光源の照射動作を制御する制御部と、制御部に対して第１の光源及び第２の光源に照射動作させる時間帯を設定する時間設定部とを備え、時間設定部は、第１の光源が日没前の時間帯から赤色光の照射を開始し、第１の光源が赤色光の照射を終了すると、第２の光源が遠赤色光の照射を開始するよう設定されていることを特徴とする。
この作物育成システムにおいて、第１の光源及び第２の光源は、同一の光源から照射される光の波長を制御することにより実現されることが好ましい。
この作物育成システムにおいて、第２の光源は、放射照度が０．０２Ｗ／ｍ２以上であり、積算放射照度が０．２ｋＪ／ｍ２以上である遠赤色光を照射することが好ましい。
この作物育成システムにおいて、第１の光源及び第２の光源は、太陽光を通すフィルタから構成され、この第２の光源は、放射照度が０．５Ｗ／ｍ２以上であり、積算放射照度が１ｋＪ／ｍ２以上である遠赤色光を照射することが好ましい。
本発明の作物育成システムによれば、日没付近の時間帯において赤色光と遠赤色光とが作物に対して連続的に照射されることになるため、従来技術と比較してより顕著に作物の成長を促進することができる。
本発明の第１の実施形態に係る作物育成システムの構成を示す正面図。 上記システムで利用される第１の光源及び第２の光源から照射される光の分光特性を示す図。 上記システムで利用される第１の光源及び第２の光源が一つの筺体に内包された照射装置の斜視図。 上記システムで利用される第１の光源及び第２の光源が作物の上方、側方、及び下方に配置された照射システムの正面図。 上記システムで利用される第１の光源及び第２の光源が作物の上方、側方、及び下方に配置された照射システムの上面図。 上記システムを利用した実施例における第１の光源及び第２の光源の光照射パターン例を示す図。 上記システムを利用した実施例に対する比較例における第１の光源の光照射パターン例を示す図。 上記システムを利用した実施例に対する比較例における第２の光源の光照射パターン例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る作物育成システムの構成を示す正面図。 上記システムで利用されるフィルタを透過した太陽光の分光特性を示す図。 上記システムで利用される第１の光源及び第２の光源の光照射パターン例を示す図。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る作物育成システムについて、図１乃至図８を参照して説明する。作物育成システム１は、例えば、完全閉鎖型の植物苗生産システム、農業用のビニルハウス若しくはガラスハウス等の施設栽培、又は露地栽培等において、作物（特に花き）が育成される際に用いられ、作物の成長を促進するものである。
図１に示されるように、作物育成システム１は、畝Ｆに植えられた作物Ｐに対して光を照射することによって、作物Ｐの成長促進に作用するものとする。作物育成システム１は、第１の光源２と、第２の光源３と、これらの光源の照射動作を制御する制御部４と、制御部４に対してこれらの光源に照射動作させる時間帯を設定する時間設定部５とを備える。ここで、第１の光源２と制御部４、第２の光源３と制御部４、及び制御部４と時間設定部５は、それぞれ配電線６で結ばれることによって電気的に接続されている。
第１の光源２は、作物Ｐの全体に光を照射できるように好ましくは作物Ｐの上方に配置され、作物Ｐに対して６１０〜６８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する赤色光を照射する。第１の光源２は、例えば、可視光波長域内のあらゆる波長を有する光を照射する蛍光灯から構成され、この蛍光灯から照射される光のうち赤色光のみを透過させる赤色フィルタ２１を備える。また、第１の光源２は、赤色フィルタ２１を備えることなく、６１０〜６８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する赤色光を照射するよう設定された赤色ＬＥＤから構成されてもよい。図２に示されるように、赤色フィルタ２１を備えた蛍光灯及び赤色ＬＥＤは、例えば、それぞれ略６６０ｎｍ及び略６３０ｎｍにピーク波長を有する赤色光を照射する。第１の光源２は、これらに限定されるものではなく、例えば、赤色蛍光灯、赤色フィルタ２１を備えた白熱灯並びにＨＩＤランプ（例えば、高圧ナトリウムランプ及びキセノンランプ等）、及び赤色ＥＬ素子から構成されてもよい。
第２の光源３は、第１の光源２の近傍で好ましくは作物Ｐの上方に配置され、作物Ｐに対して６８５〜７８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する遠赤色光を照射する。第２の光源３は、例えば、可視光波長域内のあらゆる波長を有する光を照射する蛍光灯から構成され、この蛍光灯から照射される光のうち遠赤色光のみを透過させる遠赤色フィルタ３１を備える。また、第２の光源３は、遠赤色フィルタ３１を備えることなく、６８５〜７８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する遠赤色光を照射するよう設定された遠赤色ＬＥＤから構成されてもよい。図２に示されるように、遠赤色フィルタ３１を備えた蛍光灯及び遠赤色ＬＥＤは、例えば、それぞれ略７４０ｎｍ及び略７３５ｎｍにピーク波長を有する遠赤色光を照射する。第２の光源３は、これらに限定されるものではなく、例えば、遠赤色蛍光灯、遠赤色フィルタ３１を備えた白熱灯並びにＨＩＤランプ（例えば、高圧ナトリウムランプ及びキセノンランプ等）、及び遠赤色ＥＬ素子から構成されてもよい。
第１の光源２及び第２の光源３は、同一の光源から照射される光の波長を制御することにより実現されてもよい。これは、例えば、赤色光と遠赤色光の両方を放射する蛍光灯に対して、上述したような赤色フィルタ２１と遠赤色フィルタ３１とを配置し、これらのフィルタを相互に入れ替えることによって実現することができる（図示せず）。
制御部４は、例えば、マイコンやリレー及びスイッチ等を備え、第１の光源２及び第２の光源３から照射される光の放射照度を調光するための調光装置（図示せず）を含んでいてもよい。調光装置は、例えば、ライトコントローラから成り、第１の光源２及び第２の光源３から照射される光の放射照度を電気的に制御する。第２の光源３は、作物Ｐに対して十分な成長促進効果を与えるため、放射照度が０．０２Ｗ／ｍ２以上であり、積算放射照度が０．２ｋＪ／ｍ２以上である遠赤色光を作物Ｐに対して照射することが好ましい。第１の光源２は、第２の光源３よりも高い又は同等レベルの放射照度で赤色光を作物Ｐに対して照射することが好ましいが、その放射強度は特に規定されない。放射照度は、Ｌｅｉｃａ製のライトメータＬｉ−２５０及びセンサＬｉ−２００ＳＡを用いて測定される。
時間設定部５は、第１の光源２が日没前の時間帯から作物Ｐに対して赤色光の照射を開始し、第１の光源２が赤色光の照射を終了すると、第２の光源３が作物Ｐに対して遠赤色光の照射を開始するよう設定されている。これにより、作物Ｐは、日没付近の時間帯において、第１の光源２から発せられる赤色光と第２の光源３から発せられる遠赤色光とを連続的に照射されることとなる。
時間設定部５は、例えば、タイマやマイコン等を利用して任意に設定された時間に、第１の光源２及び第２の光源３が光の照射を開始又は停止するよう設定する。時間設定部５は、光センサを備え、その光センサを利用して作物Ｐの周囲に照射される自然光（太陽光）の放射照度を感知することによって、第１の光源２及び第２の光源３の光照射開始及び停止時間を決定してもよい。また、時間設定部５は、ソーラータイムスイッチを備え、ソーラータイムスイッチに予め記憶された日出・日没時刻に従って、第１の光源２及び第２の光源３の光照射開始及び停止時間を決定してもよい。
図３に示されるように、第１の光源２及び第２の光源３は、単一の筺体Ｃ内にそれぞれ複数設置されてもよい。このとき、第１の光源２及び第２の光源３は、それぞれより広い範囲により均一な光を照射するために、筺体Ｃ内において交互に配置されることが好ましい。
ところで、作物Ｐの背が高い及び／又は枝葉が多い際には、第１の光源２及び第２の光源３から照射される光が、作物Ｐの下方及び／又は内部へ到達し難くなることがある。この場合は、図４に示されるように、第１の光源２及び第２の光源３を、作物Ｐの上方に加えて、作物Ｐの側方及び下方にも配置することが好ましい。これにより、第１の光源２及び第２の光源３は、作物Ｐの形状に依存することなく、作物Ｐに対してより均一かつより強い光を照射することができる。このとき、作物Ｐの側方及び下方に配置される第１の光源２及び第２の光源３は、任意の角度で作物Ｐに対して光を照射できるよう、それらの取付角度が調節可能であることがより好ましい。
また、図５に示されるように、上部光源２ａ及び上部光源３ａは、それぞれ作物Ｐの上方に位置する第１の光源２及び第２の光源３であり、例えば、畝Ｆが延びる方向と平行に互いに一定間隔を置いて作物Ｐの真上に複数配置される。ここで、側部光源２ｂ及び側部光源３ｂは、それぞれ作物Ｐの側方に位置する第１の光源２及び第２の光源３であり、例えば、畝Ｆが延びる方向と平行に互いに一定間隔を置いて作物Ｐの横で畝Ｆと畝Ｆとの間の領域に複数配置される。また、下部光源２ｃ及び下部光源３ｃは、それぞれ作物Ｐの下方に位置する第１の光源２及び第２の光源３であり、畝Ｆが延びる方向と平行に互いに一定間隔を置いて畝Ｆと畝Ｆとの間の地面上に複数配置される。側部光源２ｂ及び３ｂ並びに下部光源２ｃ及び３ｃは、防水加工が施され、例えば、ホローライトガイド方式の照明器具、光ファイバ、又は細長い形状に成形されたＥＬ器具等の連続光源から構成される。
上部光源２ａ、側部光源２ｂ、及び下部光源２ｃの配光及び光量は、作物Ｐの生育に合わせて調節されてもよい。例えば、作物Ｐが初期の生育ステージにあってまだ小さい場合、作物Ｐから離れている上部光源２ａは消灯され、そして作物Ｐに近接している側部光源２ｂ及び下部光源２ｃは点灯される。このとき、側部光源２ｂ及び下部光源２ｃは、それらの取付角度等を変えることによって配光が狭くなるよう調節され、作物Ｐに対して集中的に光を照射できるよう配置されることが好ましい。また、初期の生育ステージにある作物Ｐは、まだ枝葉が十分に発達していないため、作物Ｐに対して照射される光は、光量が低くても作物Ｐの全体に行き渡る。そのため、側部光源２ｂ及び下部光源２ｃは、照射する光の光量を下げることが好ましい。
一方、作物Ｐが大きく成長した場合は、上部光源２ａ、側部光源２ｂ、及び下部光源２ｃのすべてが点灯される。このとき、側部光源２ｂ及び下部光源２ｃは、それらの取付角度等を変えることによって配光が広くなるよう調節され、作物Ｐの広い範囲に対して光を照射できるよう配置されることが好ましい。また、成長が進んだ作物Ｐは、多くの枝葉を持つため、作物Ｐに対して照射される光は、高い光量でないと作物Ｐの内部まで到達しない。そのため、上部光源２ａ、側部光源２ｂ、及び下部光源２ｃは、照射する光の光量を上げることが好ましい。
作物Ｐとして花き類であるキク（セイプリンス）を用い、キクに対して作物育成システム１が与える成長促進効果を検討した。キクは、１０月末の定植から翌年２月の収穫までの略４ヵ月間栽培された。定植後、キクの栄養生長を維持するため、キクの草丈が２０ｃｍ以上となる定植開始略４５日後の１２月初めまで、深夜に白熱灯を点灯させることによって４時間の暗期中断が行われた。この暗期中断の終了によりキクを生殖生長に移行させると同時に、第１の光源２及び第２の光源３によるキクへの光照射が開始された。この光照射は、キクが開花するまで続けられた。第１の光源２及び第２の光源３は、それぞれキクの上方に４０個／ｍ２の密度で配置された赤色ＬＥＤ及びキクの上方に２０個／ｍ２の密度で配置された遠赤色ＬＥＤから構成された。
図６に示されるように、この実施例においては、第１の光源２から出射される６３０ｎｍにピーク波長を有する赤色光が、略０．１Ｗ／ｍ２の放射照度で、日没の２時間前から日没までの２時間キクに対して照射された。この赤色光の照射終了後、第２の光源３から出射される７３５ｎｍにピーク波長を有する遠赤色光が、略０．０２Ｗ／ｍ２の放射照度で、日没直後から日没３時間後までの３時間キクに対して照射された。
キクに対して作物育成システム１が与える成長促進効果は、本システムを利用して育成されたキクの８割以上が茎丈８０ｃｍ以上となるのに要した平均日数を、比較例で得られた平均日数と比べることによって評価された。比較例としては、キクに対して、第１の光源２からの赤色光も第２の光源３からの遠赤色光も照射しない場合（比較例１）、第１の光源２からの赤色光のみを照射する場合（比較例２）、及び第２の光源３からの遠赤色光のみを照射する場合（比較例３）が用いられた。
図７に示されるように、比較例２においては、第１の光源２から出射される６３０ｎｍにピーク波長を有する赤色光が、略０．１Ｗ／ｍ２の放射照度で、日没の２時間前から日没までの２時間キクに対して照射された。
図８に示されるように、比較例３においては、第２の光源３から出射される７３５ｎｍにピーク波長を有する遠赤色光が、略０．０２Ｗ／ｍ２の放射照度で、日没直後から日没３時間後までの３時間キクに対して照射された。
表１の比較例１に示されるように、第１の光源２からの赤色光も第２の光源３からの遠赤色光も照射されなかったキク、すなわち、自然光（太陽光）のみを照射されたキクは、その８割以上が茎丈８０ｃｍ以上となるのに平均１０２日を要した。また、比較例２に示されるように、自然光に加えて第１の光源２からの赤色光をキクに照射すると、キクの成長は僅かながら促進され、平均９７日でキクの８割以上が茎丈８０ｃｍ以上となった。更に、比較例３に示されるように、自然光に加えて第２の光源３からの遠赤色光をキクに照射すると、キクの成長はある程度促進され、平均９１日でキクの８割以上が茎丈８０ｃｍ以上となった。これらの比較例に対し、本実施例において、自然光に加えて第１の光源２からの赤色光と第２の光源３からの遠赤色光との連続的照射を受けたキクは、その８割以上が茎丈８０ｃｍ以上となるのに平均８３日しか要さなかった。この結果は、作物育成システム１がキクの成長を効果的に促進することができることを示している。
この作物育成システム１は、通年利用することが可能であるが、自然光（太陽光）が減少する秋から春先にかけての短日期において特に有効である。
本実施形態に係る作物育成システム１によれば、時間設定部５は、第１の光源２からの赤色光と第２の光源３からの遠赤色光とが日没を挟んで連続的に作物Ｐに対して照射されるよう設定されている。このような日没付近の時間帯における作物Ｐに対する赤色光と遠赤色光との連続的照射は、顕著に作物Ｐの成長を促進する。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る作物育成システムについて、図９乃至図１１を参照して説明する。作物育成システム１１は、農業用のビニルハウス若しくはガラスハウス等の施設栽培、又は露地栽培等において作物（特に花き）が育成される際に用いられる。
図９に示されるように、作物育成システム１１では、赤色フィルタ２２と遠赤色フィルタ３２が、第１の光源及び第２の光源を構成する。作物育成システム１１は、赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２と、これらのフィルタの開閉を制御する制御部４と、制御部４に対してこれらのフィルタの開閉動作させる時間帯を任意に設定する時間設定部５とを備える。これらのフィルタの開閉は、モータを駆動部とする開閉駆動部７により行われる。ここで、開閉駆動部７と制御部４、及び制御部４と時間設定部５は、それぞれ配電線６で結ばれることにより電気的に接続されている。
赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２は、それぞれ太陽光のうち赤色光及び遠赤色のみを透過させることによって、畝Ｆに植えられた作物Ｐが育成されるビニルハウスＨ内にそれぞれ赤色光及び遠赤色光を入射させる。そのため、赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２は、通常、ビニルハウスＨの屋根上のような、太陽光を照射する太陽Ｓと作物Ｐとの間に配置される。
しかし、太陽光が、ビニルハウスＨ周囲の地面等で反射する等して、ビニルハウスＨの側面部からも入射する場合、赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２は、ビニルハウスＨの側面部に配置されてもよい。これにより、この反射光からも赤色光及び遠赤色光を生成することが可能となる。また、この反射光を積極的に生み出すため、作物育成システム１１は、太陽光を反射してビニルハウスＨ内に入射させる反射板をビニルハウスＨの周囲に備えてもよい。
遠赤色フィルタ３２から構成される第２の光源は、作物Ｐに対して十分な成長促進効果を与えるため、放射照度が０．５Ｗ／ｍ２以上であり、積算放射照度が１ｋＪ／ｍ２以上である遠赤色光を作物Ｐに対して照射することが好ましい。赤色フィルタ２２から構成される第１の光源は、第２の光源よりも高い又は同等レベルの放射照度で赤色光を作物Ｐに対して照射することが好ましいが、その放射強度は特に規定されない。
赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２は、それぞれ主に６１０〜６８０ｎｍの波長を有する赤色光及び主に６８５〜７８０ｎｍの波長を有する遠赤色光を透過させるものであればよい。赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２は、例えば、カラービニルフィルム、樹脂フィルム、カラーガラス、及び光学多層膜処理を施したフィルタ等から構成されるが、農業現場での使用を考慮すると、着色した農業用フィルムから構成されることが好ましい。
図１０に示されるように、赤色フィルタ２２は、例えば、太陽光のうち略６００〜略７００ｎｍの波長を有する赤色光を透過させ、この波長域以外の波長を有する光をカットする。遠赤色フィルタ３２は、例えば、太陽光のうち略７００ｎｍ以上の波長を有する遠赤色光を透過させ、この波長域以外の波長を有する光をカットする。
赤色フィルタ２２から構成される第１の光源は、例えば、図１１に示されるように、日没３時間前から日没１時間前までの２時間、作物Ｐに対して赤色光を照射する。遠赤色フィルタ３２から構成される第２の光源は、例えば、日没１時間前から日没までの１時間、作物Ｐに対して遠赤色光を照射する。
本実施形態に係る作物育成システム１１によれば、作物Ｐに対して照射される赤色光及び遠赤色光は、それぞれ赤色フィルタ２２及び遠赤色フィルタ３２の作用によって電力を必要とすることなく太陽光から生成される。そのため、作物育成システム１１は、電灯光源を利用して赤色光及び遠赤色光を生成する作物育成システム１と比較すると、より省電力性に優れている。また、赤色光及び遠赤色光の生成に電灯光源を利用しないことにより、システムを構成する電気回路をより簡略化することができる。
なお、本発明に係る作物育成システムは、種々の変形が可能である。例えば、本システムで利用される光源の数は、上記実施形態で利用される光源の数に限定されず、必要に応じて増減してもよい。また、本システムは、光源として第１の実施形態で利用される電灯光源と第２の実施形態で利用される太陽光を透過させるフィルタとを同時に備えるものであってもよい。
１、１１ 作物育成システム
２ 第１の光源
２１、２２ 赤色フィルタ（フィルタ）
３ 第２の光源
３１、３２ 遠赤色フィルタ（フィルタ）
４ 制御部
５ 時間設定部
Ｐ 作物

Claims (4)

  1. 作物に対して６１０〜６８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する赤色光を照射する第１の光源と、
    作物に対して６８５〜７８０ｎｍの波長域内にピーク波長を有する遠赤色光を照射する第２の光源と、
    前記第１の光源と前記第２の光源の照射動作を制御する制御部と、
    前記制御部に対して前記第１の光源及び第２の光源に照射動作させる時間帯を設定する時間設定部と、を備え、
    前記時間設定部は、前記第１の光源が日没前の時間帯から赤色光の照射を開始し、前記第１の光源が赤色光の照射を終了すると、前記第２の光源が遠赤色光の照射を開始するよう設定されていることを特徴とする作物育成システム。
  2. 前記第１の光源及び第２の光源は、同一の光源から照射される光の波長を制御することにより実現されることを特徴とする請求項１に記載の作物育成システム。
  3. 前記第２の光源は、放射照度が０．０２Ｗ／ｍ２以上であり、積算放射照度が０．２ｋＪ／ｍ２以上である遠赤色光を照射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の作物育成システム。
  4. 前記第１の光源及び第２の光源は、太陽光を通すフィルタから構成され、前記第２の光源は、放射照度が０．５Ｗ／ｍ２以上であり、積算放射照度が１ｋＪ／ｍ２以上である遠赤色光を照射することを特徴とする請求項１に記載の作物育成システム。
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