[要約]本稿では、多数の実験データに基づき、植物工場における光質の選択における重要な課題、すなわち光源の選択、赤色光、青色光、黄色光の影響、スペクトル範囲の選択について考察し、植物工場における光質に関する知見を提供する。また、光質調整戦略の決定においては、参考となる実用的な解決策を提示する。
光源の選択

植物工場では一般的にLEDライトが使用されています。これは、LEDライトが発光効率が高く、消費電力が少なく、発熱が少なく、寿命が長く、光量とスペクトルを調整できるという特徴があるためです。これらの特徴は、植物の成長と有効な物質蓄積の要件を満たすだけでなく、省エネ、発熱の削減、電気代削減にもつながります。LED栽培ライトは、さらに汎用シングルチップ広帯域LEDライト、植物専用シングルチップ広帯域LEDライト、マルチチップ複合型可変帯域LEDライトに分けられます。後者2種類の植物専用LEDライトの価格は、一般的なLEDライトの5倍以上になることが多いため、用途に応じて異なる光源を選択する必要があります。大型植物工場では、市場の需要に合わせて栽培する植物の種類が変わります。建設コストを削減し、生産効率に大きな影響を与えないようにするために、筆者は照明源として一般照明用の広帯域LEDチップを使用することを推奨しています。小規模植物工場において、植物の種類が比較的固定されている場合、建設コストを大幅に増加させることなく高い生産効率と品質を実現するために、植物専用または一般照明用の広帯域スペクトルLEDチップを照明源として用いることができます。また、光が植物の成長や有効物質の蓄積に及ぼす影響を研究し、将来の大規模生産に最適な光処方を提供するには、調整可能なスペクトルLEDライトのマルチチップ組み合わせを用いることで、光強度、スペクトル、照射時間などの要素を変化させ、それぞれの植物に最適な光処方を得ることができ、大規模生産の基盤を構築することができます。

赤と青の光

具体的な実験結果を見ると、赤色光（R）の含有量が青色光（B）の含有量より高い場合（レタスR：B＝6：2および7：3、ほうれん草R：B＝4：1、ヒョウタン苗R：B＝7：3、キュウリ苗R：B＝7：3）、青色光の含有量が赤色光の含有量より高い場合、植物のバイオマス含有量（地上部の草丈、最大葉面積、新鮮重量、乾燥重量など）が高くなる一方で、茎の直径と強苗指数も大きくなることが実験で示されました。生化学指標としては、赤色光の含有量が青色光より高いことは、一般的に植物の可溶性糖含有量の増加に有益です。しかし、植物におけるVC、可溶性タンパク質、クロロフィル、カロテノイドの蓄積には、赤色光よりも青色光の含有量が多いLED照明を使用する方が有利であり、この照明条件下ではマロンジアルデヒドの含有量も比較的低くなります。

植物工場は主に葉物野菜の栽培や産業用育苗に利用されているため、上記の結果から、収量増加と品質を前提とすると、光源として青色光よりも赤色光含有量の多いLEDチップを使用するのが適切であると結論付けられます。より適切な比率はR:B = 7:3です。さらに、このような赤色光と青色光の比率は、基本的にあらゆる種類の葉物野菜や苗木に適用でき、植物ごとに特別な要件はありません。

赤と青の波長選択

光合成の過程で、光エネルギーは主にクロロフィルaとクロロフィルbによって吸収されます。下の図はクロロフィルaとクロロフィルbの吸収スペクトルを示しており、緑色のスペクトル線はクロロフィルaの吸収スペクトル、青色のスペクトル線はクロロフィルbの吸収スペクトルです。図から、クロロフィルaとクロロフィルbはどちらも青色光領域と赤色光領域に2つの吸収ピークを持っていることがわかります。しかし、クロロフィルaとクロロフィルbの2つの吸収ピークはわずかに異なります。正確には、クロロフィルaの2つのピーク波長はそれぞれ430 nmと662 nmであり、クロロフィルbの2つのピーク波長はそれぞれ453 nmと642 nmです。これらの4つの波長値は植物が異なっても変化しないため、光源における赤と青の波長の選択も植物種が異なっても変化しません。

クロロフィルaとクロロフィルbの吸収スペクトル

植物工場の光源として、一般的な広帯域LED照明を使用できます。ただし、赤色光と青色光がクロロフィルaとクロロフィルbの2つのピーク波長をカバーできる必要があります。つまり、赤色光の波長範囲は通常620～680nm、青色光の波長範囲は400～480nmです。ただし、赤色光と青色光の波長範囲が広すぎると、光エネルギーが無駄になるだけでなく、他の影響も及ぼす可能性があるため、広すぎるのは好ましくありません。

植物工場の光源として、赤、黄、青のチップで構成されたLEDライトを使用する場合、赤色光のピーク波長はクロロフィルaのピーク波長、すなわち660nmに設定し、青色光のピーク波長はクロロフィルbのピーク波長、すなわち450nmに設定する必要があります。

黄色と緑色の光の役割

赤、緑、青の光の比率はR:G:B=6:1:3が適切です。緑色光のピーク波長は主に植物の成長過程における制御的な役割を果たすため、530～550nmの範囲であれば十分です。

まとめ

本稿では、植物工場における光質の選択戦略について、LED光源における赤色光と青色光の波長域の選択、黄色光と緑色光の役割と比率など、理論と実践の両面から論じる。植物の成長過程においては、光強度、光質、光時間という3つの要素の適切なマッチング、そしてそれらの栄養素、温度と湿度、CO2濃度との関係も総合的に考慮する必要がある。実際の生産においては、広帯域LEDライトを使用する場合でも、マルチチップ複合型可変スペクトルLEDライトを使用する場合でも、波長比が主な考慮事項となる。なぜなら、光質に加えて、他の要素は稼働中にリアルタイムで調整できるためである。したがって、植物工場の設計段階で最も重要な考慮事項は、光質の選択であるべきである。

著者: ヨンシュウ

記事出典：農業工学技術（温室園芸）のWeChatアカウント

参考：Yong Xu、植物工場における光質選択戦略 [J]. 農業工学技術, 2022, 42(4): 22-25.