冬季温室水耕栽培レタスとパクチョイの収量増加効果に対するLED補助光の効果に関する研究
【要約】上海の冬は気温が低く日照量が少ないことが多く、温室内の水耕栽培葉菜類の生育が遅く、生産サイクルが長く、市場の供給需要を満たすことができません。近年、温室栽培・生産にはLED植物補助灯が使用され始めており、自然光が不足すると温室内の毎日の積算光量が作物の成長のニーズを満たせないという欠陥をある程度補っています。実験では、光質の異なる2種類のLED補助灯を温室内に設置し、冬季の水耕栽培レタスと青梗菜の生産量を増やす探索実験を行いました。結果は、2種類のLEDライトがパクチョイとレタスの植物あたりの新鮮重量を大幅に増加できることを示しました。パクチョイの増収効果は主に葉の肥大や肥厚など全体的な官能品質の向上に反映され、レタスの増収効果は主に葉数と乾物含有量の増加に反映されます。

光は植物の生育に欠かせない要素です。近年、LED照明は、高い光電変換率、カスタマイズ可能なスペクトル、長寿命などの理由から、温室環境での栽培・生産に広く利用されています[1]。海外では、関連研究の早期開始と成熟した支援システムにより、多くの大規模な花卉、果物、野菜生産において、比較的充実した光補助戦略が確立されています。また、実際の生産データが大量に蓄積されているため、生産者は増産効果を明確に予測することができます。同時に、LED補助光システム導入後の収益性も評価されています[2]。しかし、国内における補助光に関する研究は、小規模な光質やスペクトル最適化に偏っており、実際の生産に活用できる補助光戦略が不足しています[3]。多くの国内生産者は、生産地域の気候条件、生産する野菜の種類、施設設備の状況に関わらず、補助照明技術を生産に適用する際に、既存の海外の補助照明ソリューションをそのまま利用しています。さらに、補助照明設備のコストが高く、エネルギー消費量も大きいため、実際の収穫量や経済効果と期待効果の間に大きな乖離が生じることがよくあります。このような現状は、国内における補助照明技術の開発・普及と増産の推進にとって好ましい状況ではありません。そのため、成熟したLED補助照明製品を国内の実際の生産環境に合理的に導入し、活用戦略を最適化し、関連データを蓄積することが急務となっています。

冬は新鮮な葉物野菜の需要が高まる季節です。温室は、冬場の葉物野菜の生育に屋外の圃場よりも適した環境を提供できます。しかし、老朽化し​​たり清掃が不十分な温室では、冬場の光透過率が50％未満になる場合もあると指摘されています。また、冬場は長期雨天になりやすく、温室は低温・低光量の環境となり、植物の正常な生育に影響を与えます。光は冬の野菜生育の制限要因となっています[4]。実験には、実際に生産されているグリーンキューブを使用しています。浅液流葉物野菜栽培システムは、Signify（China）Investment Co., Ltd.の異なる青色光比率の2つのLEDトップライトモジュールと組み合わせています。市場需要の高い葉物野菜であるレタスとパクチョイを栽培することで、冬場の温室でのLED照明による水耕葉物野菜の生産量の実際の増加を研究することを目的としています。

材料と方法
テストに使用した材料

実験に使用した供試材料は、レタスとパクチョイです。レタスの品種「グリーンリーフレタス」は北京頂豊現代農業開発有限公司から、パクチョイの品種「ブリリアントグリーン」は上海農業科学院園芸研究所から供給されています。

実験方法

実験は2019年11月から2020年2月まで、上海グリーンキューブ農業開発有限公司孫橋基地の文洛型ガラス温室で行われ、合計2回の繰り返し実験が行われた。実験の第1ラウンドは2019年末、第2ラウンドは2020年初頭であった。播種後、実験材料は人工光気候室に配置され、育苗され、潮汐灌漑が使用された。育苗期間中、灌漑にはEC 1.5、pH 5.5の水耕野菜の一般的な栄養液を使用した。苗が葉3枚、心立方1期に成長した後、グリーンキューブトラック式浅流葉野菜植え床に植えられた。植え付け後、浅流栄養液循環システムによりEC 2、pH 6の栄養液を使用して毎日灌漑された。灌水頻度は、給水あり10分、給水停止あり20分とした。実験では、対照群（光補充なし）と処理群（LED光補充）を設定した。CKは光補充なしでガラス温室に植えられた。LB：ガラス温室に植えた後、drw-lb Ho（200W）を使用して光を補充した。水耕野菜のキャノピー表面の光束密度（PPFD）は約140 μmol/（㎡·S）であった。MB：ガラス温室に植えた後、drw-lb（200W）を使用して光を補充し、PPFDは約140 μmol/（㎡·S）であった。

第1回目の実験植栽日は2019年11月8日、植栽日は2019年11月25日、試験群の光補充時間は6:30-17:00です。第2回目の実験植栽日は2019年12月30日、植栽日は2020年1月17日、実験群の光補充時間は4:00-17:00です。
冬季の晴天時には、温室は6:00～17:00の間、サンルーフ、サイドフィルム、ファンを開放し、毎日換気を行います。夜間の気温が低い場合は、17:00～翌6:00の間、天窓、サイドロールフィルム、ファンを閉鎖し、温室内の断熱カーテンを開放して夜間保温を行います。

データ収集

チンジンサイとレタスの地上部を収穫後、草丈、葉数、および1株あたりの生重量を測定した。生重量を測定後、乾燥機に入れ、75℃で72時間乾燥させた。乾燥後、乾燥重量を測定した。温室内温度と光合成光量子束密度（PPFD、Photosynthetic Photon Flux Density）は、温度センサー（RS-GZ-N01-2）と光合成有効放射センサー（GLZ-CG）によって5分ごとに収集・記録された。

データ分析

次の式に従って光利用効率 (LUE、光利用効率) を計算します。
LUE（g/mol）＝単位面積あたりの野菜収量／植え付けから収穫までの単位面積あたりの野菜が得る光の総累積量
次の式に従って乾物含有量を計算します。
乾物含有量（％）＝植物あたりの乾燥重量／植物あたりの生重量×100％
Excel2016とIBM SPSS Statistics 20を使用して実験のデータを分析し、差異の重要性を分析します。

材料と方法
光と温度

第一ラウンドの実験では、植え付けから収穫まで46日かかり、第二ラウンドの実験では、植え付けから収穫まで42日かかりました。第一ラウンドの実験では、温室内の日平均気温は概ね10～18℃の範囲でした。第二ラウンドの実験では、温室内の日平均気温の変動は第一ラウンドの実験よりも激しく、最低日平均気温は8.39℃、最高日平均気温は20.23℃でした。日平均気温は、生育過程を通じて全体的に上昇傾向を示しました（図1）。

実験の第 1 ラウンドでは、温室内の日積算光量 (DLI) は 14 mol/(㎡·D) 未満で変動しました。実験の第 2 ラウンドでは、温室内の自然光の 1 日の積算光量は全体的に上昇傾向を示し、8 mol/(㎡·D) を超え、最大値は 2020 年 2 月 27 日に出現し、26.1 mol/(㎡·D) でした。実験の第 2 ラウンドにおける温室内の自然光の 1 日の積算光量の変化は、実験の第 1 ラウンドよりも大きくなっていました (図 2)。実験の第 1 ラウンドでは、補助光グループの 1 日の積算光量 (自然光 DLI と LED 補助光 DLI の合計) はほとんどの時間で 8 mol/(㎡·D) を超えていました。実験の第 2 ラウンドでは、補助光グループの 1 日の積算光量はほとんどの時間で 10 mol/(㎡·D) を超えていました。 2回目の補助光の総積算量は1回目より31.75 mol/㎡増加した。

葉物野菜の収穫量と光エネルギー利用効率

●第1回テスト結果
図3から、LED補助光を照射したパクチョイは、無補助光のCKパクチョイよりも生育が良く、草姿がよりコンパクトで、葉が大きく厚くなっていることがわかります。LBパクチョイとMBパクチョイの葉は、CKパクチョイよりも明るく濃い緑色をしています。図4から、LED補助光を照射したレタスは、無補助光のCKパクチョイよりも生育が良く、葉数が多く、草姿がより豊かであることがわかります。

表1から、CK、LB、MBで処理したパクチョイの植物の高さ、葉の数、乾物含有量、光エネルギー利用効率には有意差がないが、LBとMBで処理したパクチョイの新鮮重量はCKよりも有意に高いことがわかります。LBとMBの処理では、青色光比率が異なる2つのLED栽培ライト間で植物あたりの新鮮重量に有意差はありませんでした。

表2から、LB処理のレタスの草丈はCK処理よりも有意に高かったが、LB処理とMB処理の間には有意差がなかったことが分かる。3つの処理間で葉の数に有意差があり、MB処理の葉の数が27で最も高かった。LB処理の植物あたりの新鮮重量は最も高く、101gだった。2つのグループ間にも有意差があった。CK処理とLB処理の間で乾物含量に有意差はなかった。MBの含有量は、CK処理およびLB処理よりも4.24%高かった。3つの処理間で光利用効率に有意差があった。最も高い光利用効率はLB処理で13.23 g/molであり、最も低いのはCK処理で10.72 g/molであった。

●第2回試験結果

表3から、MBで処理したパクチョイの草丈はCKよりも有意に高く、LB処理との間に有意差はなかったことがわかります。LBおよびMBで処理したパクチョイの葉数はCKよりも有意に多かったが、補助光処理の2つのグループ間に有意差はありませんでした。3つの処理間では、植物あたりの新鮮重量に有意差がありました。CKの植物あたりの新鮮重量は47gで最低であり、MB処理は116gで最高でした。3つの処理間で乾物含量に有意差はありませんでした。光エネルギー利用効率には有意差があります。CKは8.74g / molと低く、MB処理は13.64g / molと最高でした。

表4から、3つの処理間でレタスの植物の高さに有意差がないことがわかります。 LBおよびMB処理の葉の数は、CKよりも有意に多くなりました。その中で、MBの葉の数は26で最も多くなりました。 LB処理とMB処理の間で葉の数に有意差はありませんでした。 補助光処理の2つのグループの植物あたりの新鮮重量はCKよりも有意に高く、植物あたりの新鮮重量はMB処理で133gで最も高くなりました。 LB処理とMB処理の間にも有意差がありました。 3つの処理間で乾物含量に有意差があり、LB処理の乾物含量が4.05%で最も高くなりました。 MB処理の光エネルギー利用効率は、CKおよびLB処理のそれよりも有意に高く、12.67 g / molです。

実験の第 2 ラウンドでは、補助光グループの合計 DLI は、実験の第 1 ラウンドでの同じ定着日数の DLI よりもはるかに高く (図 1-2)、第 2 ラウンドの補助光処理グループの補助光時間 (4:00-17:00) でした。実験の第 1 ラウンド (6:30-17:00) と比較して、2.5 時間増加しました。2 ラウンドのパクチョイの収穫時期は、植え付け後 35 日でした。2 ラウンドの CK 個々の植物の新鮮重量は同様でした。実験の第 2 ラウンドでの LB および MB 処理と CK を比較した植物あたりの新鮮重量の差は、実験の第 1 ラウンドの CK と比較した植物あたりの新鮮重量の差よりもはるかに大きかった (表 1、表 3)。 2回目の実験レタスの収穫時期は定植後42日、1回目の実験レタスの収穫時期は定植後46日であった。2回目の実験レタスCKを収穫した際の定着日数は1回目の実験よりも4日短かったが、1株あたりの新鮮重量は1回目の実験の1.57倍（表2、表4）、光エネルギー利用効率は同等であった。気温が徐々に上昇し、温室内の自然光が徐々に増加するにつれて、レタスの生産サイクルが短縮されていることがわかる。

材料と方法
2回の試験は上海の冬季をほぼ網羅し、対照群（CK）は、冬季の低温・低日照下における温室内の水耕栽培青梗菜とレタスの実際の生産状況を比較的回復させることができました。光補充実験群は、2回の試験において、最も直感的なデータ指標（株当たりの生重）に対して顕著な促進効果を示しました。その中で、パクチョイの収量増加効果は、葉の大きさ、色、厚みに同時に表れていました。一方、レタスは葉数が増える傾向があり、草姿もより豊かに見えるという結果が出ました。試験結果は、光補充が2種類の野菜の栽培において生重と製品品質を向上させ、それによって野菜製品の商品性を高めることができることを示しています。赤白低青および赤白中青LEDトップライトモジュールで補充されたパクチョイは、補充光のない葉に比べて、見た目が濃い緑色で光沢があり、葉が大きく厚く、草型全体の生育傾向はよりコンパクトで旺盛です。しかし、「モザイクレタス」は淡緑色葉野菜に属し、成長過程において明らかな色の変化が見られないため、葉の色の変化は人間の目には分かりにくい。適切な量の青色光を照射することで、葉の発育と光合成色素の合成を促進し、節間の伸長を抑制することができる。そのため、光補助グループの野菜は、外観品質の面で消費者に好まれる傾向がある。

試験の第 2 ラウンドでは、補助光グループの 1 日の総積算光量は、実験の第 1 ラウンドの同じ定着日数中の DLI よりもはるかに高く (図 1-2)、補助光処理グループの第 2 ラウンドの補助光時間 (4:00-17:00) は、実験の第 1 ラウンド (6:30-17:00) と比較して 2.5 時間増加しました。 2 ラウンドのパクチョイの収穫時期は、植え付け後 35 日でした。 2 ラウンドの CK の新鮮重量は同様でした。 実験の第 2 ラウンドでの LB および MB 処理と CK 間の植物あたりの新鮮重量の差は、実験の第 1 ラウンドで CK を使用した植物あたりの新鮮重量の差よりもはるかに大きかった (表 1 および表 3)。 そのため、光補充時間を延​​長すると、冬に室内で栽培される水耕パクチョイの生産量の増加を促進できます。 2回目の実験レタスの収穫時期は植え付け後42日、1回目の実験レタスの収穫時期は植え付け後46日でした。2回目の実験レタスを収穫した時点で、CKグループのコロニー化日数は1回目よりも4日少なかった。しかし、単一の植物の新鮮重量は1回目の実験の1.57倍でした（表2と表4）。光エネルギー利用効率は同様でした。温度が徐々に上昇し、温室内の自然光が徐々に増加すると（図1-2）、レタスの生産サイクルをそれに応じて短縮できることがわかります。したがって、気温が低く日照量が少ない冬に温室に補助照明設備を追加すると、レタスの生産効率を効果的に向上させ、生産量を増やすことができます。実験の第 1 ラウンドでは、葉菜補助光の消費電力は 0.95 kw-h で、実験の第 2 ラウンドでは、葉菜補助光の消費電力は 1.15 kw-h でした。2 ラウンドの実験間で、パクチョイの 3 つの処理の光消費量を比較すると、第 2 実験のエネルギー利用効率は第 1 実験よりも低くなりました。第 2 実験のレタス CK および LB 補助光処理グループの光エネルギー利用効率は、第 1 実験よりもわずかに低くなりました。考えられる理由としては、植え付け後 1 週間以内の日平均気温が低いため、育苗が遅い期間が長くなり、実験中に気温が少し回復したものの、その範囲は限られており、全体的な日平均気温がまだ低いレベルにあり、葉物野菜の水耕栽培の全体的な成長サイクル中の光エネルギー利用効率が制限されたことが推測されます。 (図 1)。

実験中、養液プールには加温設備が設置されていなかったため、水耕葉菜類の根元環境は常に低温レベルにあり、日平均気温が制限されたため、LED補助光の延長によって増加した日積算光量を野菜が十分に活用できませんでした。そのため、冬季温室で補助光を照射する場合、補助光による増収効果を確実にするために、適切な保温・加温対策を検討する必要があります。したがって、冬季温室における光補助と増収効果を確実にするためには、適切な保温・加温対策を検討する必要があります。LED補助光の使用はある程度の生産コストの増加を招き、農業生産自体は高収量産業ではありません。そのため、冬季温室における水耕葉菜類の実際の生産において、補助光戦略をどのように最適化し、他の対策と連携させるか、また、補助光設備をどのように活用して効率的な生産を実現し、光エネルギーの利用効率と経済的利益を向上させるかについては、さらなる生産実験が必要です。

著者: Yiming Ji、Kang Liu、Xianping Zhang、Honglei Mao (上海グリーン キューブ農業開発有限公司)。
記事出典：農業工学技術（温室園芸）。

参考文献:
[1] 陳鋒「フィリップス園芸用LEDの温室生産への応用実践」[J].農業工学技術、2017年、37(13):28-32
[2] 楊暁玲、宋蘭芳、金正麗、他「保護された果物と野菜への光補助技術の適用状況と展望[J]」北方園芸、2018(17):166-170
[3] 劉暁英、徐志剛、薛雪莱、他「植物照明の研究・応用の現状と開発戦略[J]」照明工学誌、013、24(4):1-7
[4] 謝景、劉侯成、宋世衛、他「温室野菜生産における光源と光質管理の応用[J]」中国野菜、2012(2):1-7