[要約] この記事では、多数の実験データに基づいて、光源の選択、赤、青、黄色の光の影響、スペクトルの選択など、植物工場における光の質の選択におけるいくつかの重要な問題について説明します。植物工場の光の質についての洞察を提供するために。マッチング戦略の決定により、参考として使用できるいくつかの実用的な解決策が提供されます。
光源の選択

植物工場では一般的にLED照明が使われています。これは、LEDライトが高い発光効率、低エネルギー消費、少ない発熱、長寿命、調整可能な光の強度とスペクトルの特性を備えているためであり、植物の成長と効果的な物質の蓄積の要件を満たすだけでなく、エネルギーを節約することもできます。発熱と電気代を削減します。LED 育成ライトは、汎用のシングルチップ広スペクトル LED ライト、シングルチップの植物固有の広スペクトル LED ライト、およびマルチチップを組み合わせた調整可能なスペクトル LED ライトにさらに分類できます。後者2種類の植物専用LED照明は一般的に一般的なLED照明の5倍以上の価格がかかるため、目的に応じて光源を選択する必要があります。大規模な植物工場の場合、市場の需要に応じ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ために、著者は光源として一般照明用の広スペクトルLEDチップを使用することを推奨しています。小規模植物工場では、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得るために、植物専用照明や一般照明用の広スペクトルLEDチップを光源として使用できます。将来の大規模生産に最適な光の処方を提供するために、植物の成長と有効物質の蓄積に対する光の影響を研究する場合、調整可能なスペクトル LED ライトのマルチチップの組み合わせを使用して、光の変化を変えることができます。光の強度、スペクトル、点灯時間などの要素を考慮して、各プラントに最適な光の処方を取得し、大規模生産の基礎となります。

赤と青の光は

具体的な実験結果としては、赤色光（R）の含有量が青色光（B）よりも多い場合（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）、実験により、バイオマス含有量（地上部の草丈、最大葉面積、生重量および乾燥重量を含む）が示された。 、など）はより高かったが、植物の茎の直径と強苗指数は、青色光の含有量が赤色光の含有量よりも高いときに大きかった。生化学的インジケーターの場合、赤色光の含有量が青色光よりも高いことは、一般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高い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いです。

植物工場は葉物野菜の栽培や工業用育苗が主な用途であるため、上記の結果から、収量の向上と品質を考慮した場合、赤色度の高いLEDチップを使用することが適していると考えられます。光源としての青色光よりも光の内容が優れています。より良い比率は 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に当てはまり、植物ごとに特別な要件はありません。

赤と青の波長選択

光合成中、光エネルギーは主にクロロフィル a とクロロフィル b を通じて吸収されます。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います。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。この図から、クロロフィル a とクロロフィル b の両方に 2 つの吸収ピークがあり、1 つは青色光領域に、もう 1 つは赤色光領域にあることがわかります。ただし、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 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は植物種が異なっても変わりません。

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は、クロロフィルaとクロロフィルbの2つのピーク波長、つまり赤色光の波長域を赤色光と青色光がカバーできれば、スペクトルの広い通常のLED照明を使用できます。一般的に青色光は620～680nmですが、青色光の波長範囲は400～480nmです。ただし、赤色と青色の光の波長範囲は、光エネルギーを無駄にするだけでなく、他の影響も与える可能性があるため、広すぎてはなりません。

植物工場の光源として赤色、黄色、青色のチップからなるLED光を使用する場合、赤色光のピーク波長をクロロフィルaのピーク波長、つまりピーク波長である660nmに設定する必要があります。青色光の波長はクロロフィル b のピーク波長、つまり 450 nm に設定する必要があります。

黄色と緑色の光の役割

赤、緑、青の光の比率がR:G:B=6:1:3の場合がより適切です。緑色光のピーク波長の決定に関しては、主に植物の成長過程で調節的な役割を果たすため、530 ～ 550 nm の間であれば十分です。

まとめ

本稿では、LED光源における赤色光と青色光の波長範囲の選択、黄色光と緑色光の役割と比率など、植物工場における光質の選択戦略を理論と実践の両面から解説します。植物の生育過程においては、光の強さ、光の質、光時間の３要素がどのように適切に適合しているか、またそれらと養分、温度や湿度、CO2濃度との関係も総合的に考慮する必要があります。実際の生産では、広いスペクトルを使用する場合でも、マルチチップの組み合わせの調整可能なスペクトル LED ライトを使用する場合でも、光の品質に加えて他の要素も動作中にリアルタイムで調整できるため、波長の比率が主に考慮されます。したがって、植物工場の設計段階で最も重要な考慮すべき点は、光の質の選択です。

著者: ヨンシュウ

記事の出典：農業工学技術（施設園芸）のWechatアカウント

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