著者：Jing Zhao、Zengchan Zhou、Yunlong Bu 他。出典：農業工学技術（温室園芸）

植物工場は、現代産業、バイオテクノロジー、養液栽培、情報技術を融合し、施設内の環境要因を高精度に制御します。完全密閉型で、周辺環境への要求が低く、植物の収穫期間が短縮され、水と肥料を節約できます。さらに、無農薬生産と廃棄物ゼロという利点も備え、単位面積あたりの土地利用効率は露地生産の40～108倍に達します。中でも、インテリジェント人工光源とその光環境制御は、生産効率に決定的な役割を果たしています。

光は重要な物理環境要因として、植物の成長と物質代謝の調節において重要な役割を果たします。「植物工場の主な特徴の一つは、完全な人工光源と光環境のインテリジェントな制御の実現である」というのが、業界の共通認識となっています。

植物の光の必要性

光は植物の光合成における唯一のエネルギー源です。光の強度、光質（スペクトル）、そして光の周期的な変化は作物の成長と発育に大きな影響を与えますが、中でも光強度は植物の光合成に最も大きな影響を与えます。

■ 光の強さ

光の強度は、作物の開花、節間長、茎の太さ、葉の大きさや厚さなど、形態を変化させます。植物の光強度に対する要求は、好光性、中好光性、弱光性に分けられます。野菜は主に好光性植物であり、光補償点と光飽和点は比較的高いです。人工光植物工場では、作物の光強度に対する要求は、人工光源を選択する上で重要な根拠となります。異なる植物の光要求を理解することは、人工光源の設計において重要であり、システムの生産パフォーマンスを向上させるために非常に重要です。

■ 光の質

光質（スペクトル）分布も植物の光合成や形態形成に重要な影響を与えます（図1）。光は放射線の一部であり、放射線は電磁波です。電磁波は波動性と量子（粒子）性を持ちます。園芸分野では、光の量子は光子と呼ばれています。300～800nmの波長域の放射線は植物の生理活性放射線、400～700nmの波長域の放射線は植物の光合成活性放射線（PAR）と呼ばれます。

クロロフィルとカロテンは、植物の光合成において最も重要な2つの色素です。図2は、各光合成色素の分光吸収スペクトルを示しています。クロロフィルの吸収スペクトルは、赤色と青色の帯域に集中しています。この照明システムは、作物の分光ニーズに基づいて人工的に光を補充し、植物の光合成を促進します。

■ 光周期
植物の光合成および光形態形成と日長（または光周期時間）の関係は、植物の光周期と呼ばれます。光周期は光時間と密接な関係があり、光時間とは作物が光に照射される時間を指します。さまざまな作物は、開花して結実するまでの光周期を完了するために、一定時間の光を必要とします。異なる光周期に応じて、キャベツなどの長日作物は、成長の特定の段階で12〜14時間以上の光時間を必要とします。タマネギ、大豆などの短日作物は、12〜14時間未満の照度時間を必要とします。キュウリ、トマト、ピーマンなどの中日作物は、より長いまたはより短い日光の下で開花し、結実することができます。
環境の3要素のうち、光強度は人工光源を選択する上で重要な基準となります。現在、光強度の表現方法は多岐にわたりますが、主に以下の3つが挙げられます。
（1）照度とは、照射面が受ける光束（単位面積あたりの光束）の面密度をルクス（lx）で表したものです。

（2）光合成有効放射量、PAR、単位：W/m²。

（3）光合成有効光量子束密度（PPFDまたはPPF）は、単位時間と単位面積に到達または通過する光合成有効放射量であり、単位：μmol/(m²·s)です。主に光合成に直接関係する400～700nmの光強度を指します。植物生産分野において最も一般的に用いられる光強度指標でもあります。

典型的な補助照明システムの光源解析
人工光補助とは、補助照明システムを設置することで、対象エリアの光強度を高めたり、光時間を延長したりすることで、植物の光需要を満たすことです。一般的に、補助照明システムは、補助照明機器、回路、およびその制御システムで構成されます。補助光源には、主に白熱電球、蛍光灯、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ、LEDなど、いくつかの一般的な種類があります。白熱電球は電気効率と光効率が低く、光合成エネルギー効率も低いなどの欠点があるため、市場から淘汰されているため、本稿では詳細な分析は行いません。

■ 蛍光灯
蛍光灯は低圧ガス放電ランプの一種で、ガラス管内に水銀蒸気または不活性ガスを封入し、管内壁に蛍光粉末を塗布しています。光の色は、管内に塗布された蛍光物質の種類によって異なります。蛍光灯は、白熱灯に比べて分光性能、発光効率、消費電力が少なく、寿命（12000時間）が長く、コストも比較的低いという特徴があります。蛍光灯自体の発熱量が少ないため、植物に近づけて照明することができ、立体栽培に適しています。しかし、蛍光灯の分光配置には無理があります。世界で最も一般的な方法は、反射板を追加して栽培エリアの作物の有効光源成分を最大化することです。日本のアドバグリ社も新型補助光源HEFLを開発しました。HEFLは実際には蛍光灯のカテゴリーに属します。冷陰極蛍光ランプ（CCFL）と外部電極蛍光ランプ（EEFL）の総称で、混合電極蛍光ランプです。HEFL管は直径わずか約4mmと非常に細く、栽培のニーズに合わせて長さを450mmから1200mmまで調整できます。従来の蛍光ランプの改良版です。

■ メタルハライドランプ
メタルハライドランプは、高圧水銀ランプをベースに、放電管内に各種の金属ハロゲン化物（臭化スズ、ヨウ化ナトリウムなど）を添加することで、異なる元素を励起し、異なる波長の光を発生させることができる高輝度放電ランプです。ハロゲンランプは、発光効率が高く、出力が高く、光色が良好で、寿命が長く、スペクトルが広いという特徴があります。しかし、発光効率は高圧ナトリウムランプよりも低く、寿命も短いため、現在は一部の植物工場でのみ使用されています。

■ 高圧ナトリウムランプ
高圧ナトリウムランプは、高圧ガス放電ランプの一種です。高圧ナトリウムランプは、放電管内に高圧ナトリウム蒸気を充填し、少量のキセノン（Xe）と水銀金属ハロゲン化物を添加した高効率ランプです。高圧ナトリウムランプは電気光変換効率が高く、製造コストが低いため、現在、農業施設の補助照明として最も広く使用されています。しかし、そのスペクトルにおける光合成効率が低いという欠点があるため、エネルギー効率が低いという欠点があります。一方、高圧ナトリウムランプが放出するスペクトル成分は、主に黄橙色の光帯に集中しており、植物の成長に必要な赤色と青色のスペクトルが欠けています。

■ 発光ダイオード
新世代の光源である発光ダイオード（LED）は、高い電気光変換効率、調整可能なスペクトル、高い光合成効率など、多くの利点を備えています。LEDは植物の成長に必要な単色光を発することができます。一般的な蛍光灯などの補助光源と比較して、LEDは省エネ、環境保護、長寿命、単色光、冷光源などの利点を備えています。LEDの電気光効率のさらなる向上とスケール効果によるコスト削減により、LED栽培照明システムは農業施設における補助光の主流設備となるでしょう。その結果、LED栽培照明は99.9%以上の植物工場に導入されています。

表1に示すように、比較することで、さまざまな補助光源の特性を明確に理解できます。

携帯照明装置
光の強度は作物の生育と密接な関係があります。植物工場では立体栽培が盛んに行われていますが、栽培棚の構造上の制約により、棚間の光と温度の分布が不均一になり、作物の収穫量に影響を与え、収穫時期が同期しなくなります。北京のある企業は、2010年に手動昇降式光補充装置（HPS照明器具とLED栽培照明器具）の開発に成功しました。その原理は、ハンドルを振ることで駆動軸とそれに固定された巻き取り機を回転させ、小型フィルムリールを回転させることで、ワイヤーロープの巻き取りと巻き戻しを実現します。栽培ライトのワイヤーロープは、複数組の反転ホイールを介してエレベーターの巻き取りホイールに接続されており、栽培ライトの高さを調整する効果があります。2017年には、上記の企業は、作物の生育ニーズに応じて光補充の高さをリアルタイムで自動調整できる新しい移動式光補充装置を設計・開発しました。 3層光源昇降式立体栽培ラックに調整装置が設置されました。最上層は光条件が最も良好な層であるため、高圧ナトリウムランプが設置されています。中層と下層にはLED栽培ライトと昇降調整システムが設置されており、栽培ライトの高さを自動調整することで、作物に最適な光環境を提供します。

オランダは、立体栽培に合わせた移動式光補充装置に対し、水平移動可能なLED栽培灯補助光装置を開発しました。栽培灯の影が太陽光下の植物の生育に及ぼす影響を避けるため、水平方向の伸縮スライドを介して栽培灯システムをブラケットの両側に押し込むことができ、太陽光が植物に十分に照射されます。曇りや雨で日光が当たらない日には、栽培灯システムをブラケットの中央に押し込むことで、栽培灯システムの光が植物を均一に満たします。栽培灯システムをブラケット上のスライドを介して水平に移動することで、栽培灯システムの頻繁な分解や取り外しを避け、従業員の労働強度を軽減し、作業効率を効果的に向上させます。

典型的な栽培照明システムの設計アイデア
移動式照明補助装置の設計から、植物工場の補助照明システムの設計では通常、異なる作物の成長期間の光の強度、光の質、および光周期パラメータを設計の中核内容とし、インテリジェント制御システムに依存して実行することで、省エネと高収量という最終目標を達成していることが容易にわかります。

現在、葉菜類の補助光の設計と構築は徐々に成熟しています。例えば、葉菜類は幼苗期、生育中期、生育後期、生育終期の4段階に分けられ、果菜類は幼苗期、栄養成長期、開花期、収穫期に分けられます。補助光強度の属性から見ると、幼苗期の光強度は60～200μmol/(m²·s)とやや低めに設定し、その後徐々に増加させます。葉菜類は100～200μmol/(m²·s)、果菜類は300～500μmol/(m²·s)まで到達可能で、これにより各生育期における植物光合成に必要な光強度を確保し、高収量のニーズを満たします。光質の観点からは、赤色と青色の比率が非常に重要です。苗の品質を高め、苗期の過成長を防ぐために、赤色光と青色光の比率は一般的に低く設定され（（1〜2）：1）、その後、植物の光形態の要求に合わせて徐々に減らされます。葉物野菜に対する赤色光と青色光の比率は（3〜6）：1に設定できます。光周期については、光強度と同様に、成長期間の延長とともに増加する傾向を示し、葉物野菜が光合成のためのより多くの光合成時間を持つようにします。果物と野菜の光補給設計はより複雑になります。上記の基本法則に加えて、開花期の光周期の設定に重点を置き、野菜の開花と結実を促進し、逆効果にならないようにする必要があります。

光環境設定のための最終処理も含め、光配合を考慮することが重要です。例えば、継続的な光補充は、水耕栽培の葉物野菜苗の収量と品質を大幅に向上させます。また、紫外線処理は、スプラウトや葉物野菜（特に紫葉レタスや赤葉レタス）の栄養価を大幅に向上させます。

一部の人工光植物工場では、対象作物への光補充を最適化するだけでなく、近年、光源制御システムも急速に発展しています。この制御システムは、一般的にB/S構造に基づいており、作物の生育中の温度、湿度、光、CO2濃度などの環境要因をWi-Fiを介して遠隔制御・自動制御することで、外部条件に制約されない生産方法を実現しています。このようなインテリジェントな補光システムは、LED栽培灯を補助光源として用い、遠隔インテリジェント制御システムと組み合わせることで、植物の波長照明のニーズに対応し、特に光制御が必要な植物栽培環境に適しており、市場の需要に十分に応えることができます。

結論
植物工場は、21世紀の世界の資源、人口、環境問題を解決する重要な手段であり、将来のハイテクプロジェクトにおける食糧自給自足を達成するための重要な手段であると考えられています。新しいタイプの農業生産方法として、植物工場はまだ学習と成長段階にあり、より多くの注目と研究が必要です。この記事では、植物工場で一般的な補助照明方法の特徴と利点を説明し、典型的な作物補助照明システムの設計アイデアを紹介します。比較を通じて見つけることは難しくありません。連続曇りや霞などの厳しい天候による低照度に対処し、施設作物の高く安定した生産を確保するために、LED栽培光源装置は現在の開発動向に最も合致しています。

植物工場の今後の発展方向は、高精度で低コストな新型センサー、遠隔制御可能なスペクトル調整可能な照明システム、そしてエキスパート制御システムに重点を置くべきです。同時に、将来の植物工場は低コスト、インテリジェント、そして自己適応型へと発展し続けるでしょう。LED栽培光源の利用と普及は、植物工場の高精度な環境制御を保証します。LED光環境制御は、光質、光強度、そして日長を包括的に制御する複雑なプロセスです。関連する専門家や学者は、人工光植物工場におけるLED補助照明の普及に向けて、綿密な研究を行う必要があります。