導入

光は植物の成長過程において重要な役割を果たします。光は、植物のクロロフィルの吸収やカロテンなどの様々な植物成長因子の吸収を促進する最良の肥料です。しかし、植物の成長を決定づける決定的な要因は、光だけでなく、水、土壌、肥料の構成、生育環境条件、そして総合的な技術管理と切り離せない、総合的な要因です。

ここ2、3年、三次元植物工場や植物の生育における半導体照明技術の応用に関する報告が数多くなされています。しかし、よく読んでみると、どうしても違和感を覚えます。一般的に、植物の生育において光がどのような役割を果たすべきなのか、真の理解が不足しているように思います。

まず、図1に示すように、太陽のスペクトルを理解しましょう。太陽のスペクトルは連続スペクトルであり、青と緑のスペクトルが赤のスペクトルよりも強く、可視光スペクトルは380～780nmの範囲にあることがわかります。自然界の生物の成長は、スペクトルの強度と関係があります。例えば、赤道付近の植物のほとんどは成長が非常に速く、同時に成長したサイズも比較的大きくなります。しかし、太陽の照射強度が高いことが必ずしも良いわけではなく、動植物の成長にはある程度の選択性があります。

図1 太陽スペクトルとその可視光スペクトルの特徴

次に、植物の成長におけるいくつかの重要な吸収要素の 2 番目のスペクトル図を図 2 に示します。

図2 植物成長におけるいくつかのオーキシンの吸収スペクトル

図2から、植物の成長に影響を与えるいくつかの主要なオーキシンの光吸収スペクトルが大きく異なることがわかります。したがって、LED植物成長ライトの適用は単純なものではなく、非常に的を絞ったものになります。ここで、最も重要な2つの光合成植物成長要素の概念を紹介する必要があります。

• クロロフィル

クロロフィルは光合成に関わる最も重要な色素の一つです。緑植物、原核藍藻類（シアノバクテリア）、真核藻類など、光合成を行うすべての生物に存在します。クロロフィルは光エネルギーを吸収し、二酸化炭素を炭水化物に変換します。

クロロフィルaは主に赤色光を吸収し、クロロフィルbは主に青紫色光を吸収します。これは主に日陰植物と日向植物を区別するためです。日陰植物はクロロフィルbとクロロフィルaの比率が低いため、日陰植物は青色光を強く利用し、日陰での生育に適応することができます。クロロフィルaは青緑色で、クロロフィルbは黄緑色です。クロロフィルaとクロロフィルbには、波長630～680 nmの赤色領域と、波長400～460 nmの青紫色領域に強い吸収領域が2つあります。

• カロテノイド

カロテノイドは、動物、高等植物、菌類、藻類の黄色、橙赤色、赤色の色素に一般的に含まれる重要な天然色素の総称です。これまでに600種類以上の天然カロテノイドが発見されています。

カロテノイドの光吸収範囲はOD303～505 nmで、食品の色を呈し、体内の食物摂取に影響を与えます。藻類、植物、微生物では、その色はクロロフィルに覆われているため、発現しません。植物細胞内で生成されるカロテノイドは、光合成を助けるエネルギーを吸収・伝達するだけでなく、励起された単電子結合酸素分子による細胞破壊から細胞を保護する機能も持っています。

いくつかの概念的な誤解

半導体照明は、省エネ効果、光の選択性、光の協調性など、大きな利点を示しています。しかし、過去2年間の急速な発展により、照明の設計と応用において多くの誤解が生じており、主に以下の点に反映されています。

①特定の波長の赤と青のチップを一定の比率で組み合わせれば、植物栽培に使用できます。たとえば、赤と青の比率は4：1、6：1、9：1などです。

②白色光であれば、太陽光の代替として利用することができます。例えば、日本などで広く使用されている三原色白色光管などです。これらのスペクトルを利用すると、植物の成長に一定の効果がありますが、その効果はLED製の光源ほど優れていません。

③照明の重要なパラメータであるPPFD（光量子束密度）が一定の指標、例えばPPFDが200μmol·m-2·s-1以上であれば、PPFDは一定値に達します。しかし、この指標を使用する際には、日陰植物か日向植物かに注意する必要があります。これらの植物の光補償飽和点（光補償点とも呼ばれます）を調べる必要があります。実際の使用では、苗が焼けたり枯れたりすることがよくあるため、このパラメータの設計は植物の種類、生育環境、条件に応じて設計する必要があります。

第一の側面については、冒頭で述べたように、植物の生育に必要なスペクトルは、一定の分布幅を持つ連続スペクトルであるべきです。図3(a)に示すように、非常に狭いスペクトルを持つ赤と青の2つの特定波長チップからなる光源を用いることは明らかに不適切です。実験では、植物は黄色がかっており、葉柄は非常に軽く、葉柄は非常に細いことが分かりました。

従来一般的に使用されていた三原色蛍光灯は、白色光を合成しているものの、赤、緑、青のスペクトルが分離しており（図3(b)参照）、スペクトル幅が非常に狭い。連続部分のスペクトル強度は比較的弱く、LEDに比べて消費電力も比較的大きく、消費電力は1.5～3倍と、LED照明ほどの効果は期待できない。

図3、赤と青のチップLED植物照明と三原色蛍光灯のスペクトル

PPFDは光量子束密度（こうこうかせんりつ）であり、光合成における光の有効放射光束密度のことを指します。単位時間当たり、単位面積当たり、植物の葉柄に入射する波長400～700 nmの光量子の総数を表します。単位はμE·m-2·s-1（μmol·m-2·s-1）です。光合成有効放射（PAR）は、波長400～700 nmの太陽放射の総量を指します。光量子または放射エネルギーのいずれかで表されます。

かつては、照度計で反射される光の強度は明るさとされていましたが、植物の成長スペクトルは、照明器具から植物までの高さ、光の照射範囲、そして光が葉を透過するかどうかによって変化します。そのため、光合成の研究において、光強度の指標としてパー（par）を用いることは正確ではありません。

一般的に、日光を好む植物の光合成はPPFDが50μmol·m-2·s-1を超えると開始されますが、日陰を好む植物のPPFDは20μmol·m-2·s-1で十分です。したがって、LED植物育成ライトを購入する際には、この基準値と栽培する植物の種類に基づいてLED植物育成ライトの数を決めることができます。例えば、LEDライト1個のPPFDが20μmol·m-2·s-1の場合、日光を好む植物を育てるには3個以上のLED植物育成ライトが必要になります。

半導体照明のいくつかの設計ソリューション

半導体照明は植物の生育や植え付けに使用され、基本的な参照方法が 2 つあります。

• 現在、中国では室内栽培モデルが非常に人気です。このモデルにはいくつかの特徴があります。

①LEDライトの役割は、植物照明のフルスペクトルを提供することであり、照明システムはすべての照明エネルギーを提供する必要があり、生産コストが比較的高いです。
②LED栽培ライトの設計では、スペクトルの連続性と完全性を考慮する必要があります。
③植物を数時間休ませる、照射強度が足りない、強すぎるなど、照明時間と照明強度を効果的に制御する必要があります。
④プロセス全体は、湿度、温度、CO2濃度など、屋外の植物の実際の最適な生育環境に要求される条件を模倣する必要があります。

• 屋外温室栽培に適した基礎を備えた屋外栽培モード。このモデルの特徴は以下のとおりです。

①LEDライトの役割は、光を補うことです。一つは、日中の太陽光照射下で青色と赤色の領域の光強度を高め、植物の光合成を促進すること、もう一つは、夜間に太陽光がない場合にそれを補い、植物の成長を促進することです。
②補助光は、苗期や開花結実期など、植物の生育段階に応じて調整する必要があります。

したがって、LED植物育成ライトの設計は、まず24時間点灯（屋内）と植物成長補助点灯（屋外）という2つの基本設計モードを考慮する必要があります。屋内植物栽培の場合、LED育成ライトの設計は、図4に示すように、3つの側面を考慮する必要があります。3原色のチップを一定の割合でパッケージ化することは不可能です。

図4、屋内LED植物ブースターライトを24時間照明に使用する設計アイデア

例えば、育苗段階のスペクトルは、根や茎の成長を強くし、葉の枝分かれを強くする必要があり、光源は屋内で使用することを考慮すると、図5のようにスペクトルを設計することができます。

図5、LED室内保育期間に適したスペクトル構造

2つ目のタイプのLED栽培ライトの設計は、主に屋外温室の土台部分における植物の生育を促進するための補助光の設計ソリューションを目的としています。設計アイデアを図6に示します。

図6、屋外栽培ライトの設計アイデア 

著者は、より多くの植栽会社が植物の成長を促進するために LED ライトを使用するという 2 番目のオプションを採用することを提案しています。

まず、中国の屋外温室栽培は、南北を問わず数十年にわたる豊富な経験と実績を有しています。温室栽培技術の優れた基盤を有し、周辺都市に多くの新鮮な果物や野菜を市場に提供しています。特に土壌、水、肥料の分野においては、豊富な研究成果が得られています。

第二に、このような補助照明ソリューションは、不要なエネルギー消費を大幅に削減すると同時に、果物や野菜の収穫量を効果的に増加させることができます。さらに、中国の広大な地理的範囲は、プロモーションに非常に有利です。

LED植物照明の科学的研究として、より広範な実験基盤も提供しています。図7は、本研究チームが開発した温室栽培に適したLED栽培ライトの一種で、そのスペクトルは図8に示されています。

図7、LED栽培ライトの一種

図8、ある種のLED栽培ライトのスペクトル

上記の設計思想に基づき、研究チームは一連の実験を実施し、その実験結果は非常に有意義なものでした。例えば、育苗期の育成ライトについては、従来使用されていたランプは32Wの蛍光灯で、育苗サイクルは40日でした。当社では12WのLEDライトを提供することで、育苗サイクルを30日に短縮し、育苗場におけるランプの温度の影響を効果的に低減し、エアコンの消費電力を節約しました。苗の太さ、長さ、色は、従来の育苗ソリューションよりも良好でした。一般的な野菜の苗についても、良好な検証結果が得られており、以下の表にまとめています。

そのうち、補助光群のPPFDは70～80μmol・m-2・s-1、赤青比は0.6～0.7でした。自然群の昼間のPPFD値は40～800μmol・m-2・s-1の範囲で、赤青比は0.6～1.2でした。上記の指標は自然栽培苗よりも優れていることがわかります。

結論

本稿では、植物栽培におけるLED栽培ライトの応用に関する最新の動向を紹介し、LED栽培ライトの植物栽培への応用に関する誤解をいくつか指摘します。最後に、植物栽培用LED栽培ライトの開発における技術的なアイデアとスキームを紹介します。また、ライトの設置と使用においては、ライトと植物との距離、ランプの照射範囲、通常の水、肥料、土壌へのライトの適用方法など、考慮すべき要素があることにも留意する必要があります。

著者: Yi Wang 他出典:CNKI