二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法および二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置
【課題】この発明は、栽培植物の葉の近傍に十分な二酸化炭素を効率よく供給できる二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法および二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置を提供することを目的とする。
【解決手段】上記の目的を解決するために、この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法は、マイクロバブル発生装置２に二酸化炭素と水を導入して二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、この二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズル４で栽培植物ｘの局所に対して微小水滴として吐出することを特徴とする。
【解決手段】上記の目的を解決するために、この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法は、マイクロバブル発生装置２に二酸化炭素と水を導入して二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、この二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズル４で栽培植物ｘの局所に対して微小水滴として吐出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、栽培植物の局所に対して二酸化炭素を供給する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素（ＣＯ2）は光合成の基質である。農産物生産において、二酸化炭素ガス（ＣＯ2濃度の高い空気やＣＯ2を溶かしこんだ水＜炭酸水＞も含む）を栽培植物へ施用して、栽培環境ＣＯ2濃度を高く保ち、光合成量を増大させ、生育を促進することで収量増加および品質向上を達成することを二酸化炭素（ＣＯ2）施用という。一般に、二酸化炭素ガスは、栽培施設内全域に張り巡らされたエアダクトを通して供給される。
【０００３】
ＣＯ2施用は、ヨーロッパの比較的冷涼で日射が強くない地域において、栽培施設を閉め切って管理する期間の長いガラス温室で実用化された技術である。わが国の大規模トマト生産植物工場においてもＣＯ2施用のための設備が導入されている。たとえば、ＬＰＧを燃焼した際に生じたＣＯ2濃度の高い空気（ＣＯ2濃度は約1500 ppm）を、植物工場内全域に設置したエアダクトにより供給している。このＣＯ2供給用ダクトは、トマトを栽培しているガターの直下にガターと平行に設置されており、ダクト表面の直径約１mmの小孔より施用される。
【０００４】
また、特許文献１には、炭酸水を植物体に噴霧することによるＣＯ2施用方法も提案されている。その要約によれば、給水配管に介装されたインラインミキサーに炭酸ガスと水を供給して炭酸水を製造する炭酸水の製造工程と、この炭酸水の製造工程で製造された炭酸水をハウス内あるいはハウス内の植物へ噴霧する炭酸水の噴霧工程とで植物への炭酸ガスの供給方法を構成している。ここで、炭酸水は、高圧下でバブリング装置により製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９９９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
わが国の大規模トマト生産植物工場におけるＣＯ2施用の最も大きな課題は、換気が必要な夏季における効率のよいＣＯ2施用方法の確立である。ＣＯ2施用技術が実用化されたヨーロッパの比較的冷涼で日射が強くない地域に対し、わが国の夏季は、高温・強光・多湿であるため、太陽光利用型植物工場では、気温が上昇しすぎないように換気を行う必要がある。これは、高温となった気体を植物工場外へ送り出し、冷涼な外気を取り入れることで過剰な熱を植物工場外へ排出することを目的としている。このような条件下において、ＣＯ2施用を行っても、植物工場内に施用されたＣＯ2は速やかに植物工場外へ拡散・排出されることになる。実際、夏季の換気を盛んに行う時期において、200 kgＣＯ2ha-1 h-1の能力を持つＣＯ2施用システムをフル稼働させても、植物工場内のＣＯ2濃度は600〜700ppm程度までしか上昇しないことが知られている。
【０００７】
夏季に換気を行うことを前提とすると（現時点の技術では、夏季昼間の無換気状態の維持はコスト的に不可能）、エアダクトにより植物工場内にＣＯ2ガス（または、高ＣＯ2濃度の空気）を供給する形体をとる以上、施用されたＣＯ2は作業通路など、葉などが疎となっている空間を優先して通過し、植物工場外へ逃げて行くことになる。この様なＣＯ2施用を続ける限り、ＣＯ2施用の費用対効果をあげることは困難であり、さらに、温暖化ガスであるＣＯ2を大気中へ放出する農業生産形体は、未来型の持続可能な農業生産としては望ましくない。
【０００８】
一方、特許文献１に記載された発明は、ＣＯ2ガスをバブリングして炭酸水を作成し、これを作成群落上部から噴霧し、水滴をファンで送付して、効率よく水滴を植物葉に付着させようとするものである。しかし、発明者らが、このような方法を試みたとき、植物葉付近の二酸化炭素濃度を十分に向上できないことが判明した。作成した炭酸水から二酸化炭素が急激に放出され、植物体に水滴が付着するときには水滴に含まれていた二酸化炭素の相当量が消失するためである。
【０００９】
さらに、従来のＣＯ2施用は、植物体のどの部分がどの程度の量のＣＯ2を欲しているのかは考慮せず、植物群落全体に対してＣＯ2付与を行うものである。この場合、施用したＣＯ2量が過少（ＣＯ2固定機会の損逸）または過大（ＣＯ2施用コストの無駄）となってしまう。そこで、SPA（Speaking plant approach）コンセプトに基づき、各種植物生体情報計測技術を用いて植物体のＣＯ2要求量を評価し（トマト群落の上層と下層では必要とするＣＯ2量が異なる）、さらに、リアルタイムに計測される環境情報も利用して、植物体の適切な部位に適切な量のＣＯ2を適切なタイミングで施用できることが好ましい。
【００１０】
この発明は、栽培植物の葉の近傍に十分な二酸化炭素を効率よく供給できる二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法および二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を解決するために、この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法は、マイクロバブル発生装置に二酸化炭素と水を導入して二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、この二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズルで栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出することを特徴とする。二酸化炭素マイクロバブルの大きさを３０μｍ未満とし、微小水滴の大きさを３０μｍ以上とすることが好ましい。さらに、ＳＰＡの原理を適用し、夜間において光を植物体に照射し、異なる測定時間ｔにおいて植物体からのクロロフィル蛍光強度データｄ（ｔ）を測定し、クロロフィル蛍光強度データｄ（ｔ）を時系列に並べたときの最大値となる点Ｐにおける最大蛍光強度Ｐ＝データｄ（ｔ）を求め、点Ｐの後に現れる極小点Ｓとさらにその後に現れる極大点Ｍの間の平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求め、最大蛍光強度Ｐと平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）の比Ｐ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求めて、得られたＰ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）に基づいて二酸化炭素マイクロバブル含有水の供給を制御することにより、栽培植物の光合成活性に応じた二酸化炭素の供給が行える。
【００１２】
この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置は、マイクロバブル発生装置と、マイクロバブル発生装置へ二酸化炭素を供給する酸化炭素供給源と、マイクロバブル発生装置により生成された二酸化炭素マイクロバブル含有水を栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出する噴霧ノズルとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法および二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置は、二酸化炭素を植物体の葉に対して効率よく供給することができる。植物の二酸化炭素要求量に応じて必要となる二酸化炭素量を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置の概要を示す概念図である。
【図２】二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。
【図３】二酸化炭素マイクロバブル含有水の水量と二酸化炭素放出量の関係を示すグラフである。
【図４】二酸化炭素マイクロバブル含有水噴霧と二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。
【図５】光合成活性評価装置の例を示す模式図である。
【図６】ＬＥＤパネル光源の発光スペクトルとCCDカメラに装着したロングバスフィルタの透過スペクトルを示すグラフである。
【図７】光量子センサを用いて測定したＬＥＤパネル光源の照射光強度分布を示すグラフである。
【図８】クロロフィル蛍光画像解析プログラムの表示画面の例を示す模式図である。
【図９】植物工場内の測定対象個体の配置を模式的に示す平面図である。
【図１０】植物工場内のトマト個体を対象として計測されたインダクションカーブを示すグラフである。
【図１１】植物工場内の複数のトマト個体を対象として計測されたインダクションカーブの測定例を示すグラフである。
【図１２】Chl a/b比とP/ave(S:M)の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明を実施するための形態について説明する。図１は二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置の概要を示す概念図である。
【００１６】
二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置１は、マイクロバブル発生装置２と、マイクロバブル発生装置２へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源３と、マイクロバブル発生装置２により生成された二酸化炭素マイクロバブル含有水を栽培植物ｘの局所に対して微小水滴として吐出する噴霧ノズル４とを有する。マイクロバブル発生装置２は市販の製品が利用でき、ここでは高濃度マイクロバブル発生装置（(株)ウィンコーポレーション、小型業務用 B-02）を使用する。二酸化炭素供給源３も通常の二酸化炭素ボンベを使用した。
【００１７】
マイクロバブル発生装置２は、給水管５および排水管６で水槽７と接続されている。また、マイクロバブル発生装置２は、密閉容器８の中に収納される。ここでは、密閉容器８として透明なプラスティックバッグを使用した。二酸化炭素供給源３に取り付けられた二酸化炭素供給チューブ９の出口が密閉容器８に挿入されている。
【００１８】
二酸化炭素供給源３から二酸化炭素供給チューブ９に送られる二酸化炭素ガスは密閉容器８に入り、二酸化炭素取込口１０よりマイクロバブル発生装置２に取り込まれる。水槽７の水は給水管５によってマイクロバブル発生装置２に取り込まれる。マイクロバブル発生装置２は直径３０μｍ以下の二酸化炭素マイクロバブルを発生させ、二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、排水管６を通して水槽７へ送る。水は給水管５および排水管６を介して循環し、水槽７に二酸化炭素マイクロバブルが作られる。この例の装置によれば、１００％の二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロバブル発生装置２を約１０分間連続運転することにより、水道水（ｐＨ７．２）を用いて１０リットル以上の二酸化炭素マイクロバブル含有水を製造できる。このときの二酸化炭素マイクロバブル含有水のｐＨは４．９であり、弱酸性となっていた。市販の飲料用炭酸水のｐＨが４．４程度であることを考えると、二酸化炭素マイクロバブル含有水中には多量の炭酸が生じていることがわかる。また、二酸化炭素マイクロバブル含有水中の炭酸は飽和状態であると考えられるので、多量の二酸化炭素も溶けていると考えられる。マイクロバブル発生装置２を密閉容器８で覆い、さらに給水管５および排水管６で水を循環させることにより、二酸化炭素のロスを最小限にし、効率よく二酸化炭素マイクロバブル含有水を製造できる。
【００１９】
水槽７は、配水管１１により噴霧ノズル４に接続されている。配水管１１には、動力ポンプ１３が設けられており、水槽７の二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズル４へ送る。噴霧ノズル４は微細な水滴を吐出するもので、例えば細霧冷房用として市販されているノズルを使用することができる。また、配水管１１に電磁弁１４を設けてもよい。
【００２０】
二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置１には、二酸化炭素マイクロバブル含有水の噴霧を制御するための制御器１５が設けられている。制御器１５には、マイクロバブル発生装置２、動力ポンプ１３、電磁弁１４が接続されている。さらに、周囲には、葉温計（サーモグラフィ）など植物の状態を観察する計測器や、温度計、湿度計、日射センサなど環境を観察する計測器を配置し、これらも制御器１５に接続することができる。さらに、実施例で説明するように光合成活性評価装置を併設することもできる。また、動力ポンプ１３や噴霧ノズル４を台車に乗せ、移動可能な装置として構成してもよい。
【００２１】
図２は、二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。二酸化炭素発生量測定用チャンバを用いて、二酸化炭素マイクロバブル含有水からの二酸化炭素の放出によるチャンバ内の二酸化炭素濃度の経時変化を測定している。これより、二酸化炭素マイクロバブル含有水から多量の二酸化炭素が放出され、チャンバ内の二酸化炭素濃度が高くなっていることが確認できる。また、チャンバ内空気の二酸化炭素濃度が長時間高く維持されていることも示されている。
【００２２】
図３は、二酸化炭素マイクロバブル含有水の水量と二酸化炭素放出量の関係を示すグラフである。ここでは、３．５分間の総放出量を表示している。二酸化炭素マイクロバブル含有水の水量にほぼ比例して二酸化炭素放出量が増加している。
【００２３】
図４は、二酸化炭素マイクロバブル含有水噴霧と二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。噴霧ノズル４により３０μｍ以上の比較的大きな水滴を吐出させて、栽培植物の葉の表面に直接吹き付ける。このときの葉の周辺の二酸化炭素濃度の変化を測定した。２分間隔での３０秒間噴霧、５分間連続噴霧、５分間隔での３０秒間噴霧、の３種類の噴霧を行っているが、どの場合にも葉の周辺の二酸化炭素濃度の上昇が確認できる。
【００２４】
一方、栽培植物の群落の上方においても、二酸化炭素マイクロバブル含有水の噴霧を行った。しかし、５〜１０分間隔で３０秒〜２分間の噴霧を行ったが、葉の周辺の二酸化炭素濃度の上昇は認められなかった。したがって、植物体へ直接噴霧を行うことが有効であることが確認できる。また、このように局所的に二酸化炭素マイクロバブル含有水を供給することにより、大きな温室内でも、特定の個体の特定の部位に二酸化炭素を供給することができ、選択的に効果的な制御が行いやすい。また、温室以外でも、露地植えの場合にも適用できる。
【実施例１】
【００２５】
この発明の実施例について説明する。光合成活性評価装置を併設した例である。図５は光合成活性評価装置の例を示す模式図である。この光合成活性評価装置２１は、コンピュータ２２と、植物体に光を照射する面光源２３と、植物体から発せられる光（反射光とクロロフィル蛍光）からクロロフィル蛍光成分のみを通過させるロングパスフィルタ（図示省略）と、ロングパスフィルタを通して植物体のクロロフィル蛍光画像を撮影する撮影装置として赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４とを有する。また、コンピュータ２２と面光源２３とロングパスフィルタと赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４を搭載する移動台車２５を備えている。
【００２６】
コンピュータ２２は、特に限定はなく、市販のパーソナルコンピュータなどが使用できる。制御器１５のコンピュータを使用してもよく、別途コンピュータを設け、制御器１５と接続してもよい。コンピュータ２２には光合成活性評価プログラムがインストールされている。この光合成活性評価プログラムでは、さほど大きな情報処理を必要としないので、小型のコンピュータで十分であり、ノート型ＰＣやモバイルと呼ばれるような種類のものが、移動のために便利である。
【００２７】
植物のクロロフィル蛍光を励起する面光源２３として65cm×65cmのLEDパネル光源（（株）セネコム, M5510A）を用いた。この例では、ロングパスフィルタ（富士フィルム（株）、SC 70）を装着した赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４（Allied Vision Technologies GmbH, Stingray F145B ASG）を用いてクロロフィル蛍光画像を撮像する。図６に、ＬＥＤパネル光源（面光源２３）の発光スペクトルとロングバスフィルタの透過スペクトルを示す。面光源２３の反射光成分はロングバスフィルタによって遮断され、長波長であるクロロフィル蛍光成分のみがロングバスフィルタを通って赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４に検知される。
【００２８】
図７は、光量子センサ（LI-COR, LI-250A）を用いて測定した面光源２３の照射光強度分布を示す。光源からの距離によらず、比較的均一（±11％）に照射されていることが確認された。この面光源２３により、近距離から広範囲に均一な光を投射することができる。
【００２９】
ＣＣＤカメラ２４はＩＥＥＥ１３９４ｂケーブルにてコンピュータ２２に接続されている。ＣＣＤカメラ２４により撮影された画像データは、ＩＥＥＥ１３９４ｂケーブルによってコンピュータ２２に送信される。
【００３０】
ここで、光合成活性評価プログラムについて説明する。この光合成活性評価プログラムはコンピュータ２２にインストールされており、コンピュータ２２やＣＣＤカメラ２４を光合成活性評価装置として作用させるものである。
【００３１】
光合成活性評価プログラムにより、コンピュータ２２はＣＣＤカメラ２４に所定の時間間隔で撮影し、その画像データをコンピュータ２２に送信するように指令する。
【００３２】
画像を構成する画素データは、それぞれがインダクションカーブを得るためのデータとして使用できるものではあるが、この例では、一つの画像データより１個の蛍光強度データを抽出する。そのために、各画像データについて、植物体領域の抽出を行う。植物体以外の領域にあるものは、照射された光と同じ波長の光を反射するのみなので、ロングパスフィルタを通して撮影された画像上では、強度はほとんどゼロである。したがって、比較的低い閾値で、植物体領域とそれ以外の領域とを簡単に識別できる。各画素の輝度値と閾値を比較し、輝度値が閾値を超えた画素を植物体領域の画素としてカウントするとともに、その画素の輝度値の積算も行う。輝度値の積算値を植物体領域の画素数で除することによって、その画像における平均の蛍光強度を算出することができる。
【００３３】
得られた蛍光強度データｄを時間の順にｄ１、ｄ２、ｄ３、…ｄｎ、…と蓄積していくことにより、インダクションカーブの基データが形成される。撮影間隔をΔｔとすれば、ｄｎは時間ｔ＝ｎ・Δｔにおける蛍光強度データｄ（ｔ）ということになる。
【００３４】
一連の撮影が終了すれば、その撮影対象の植物体のインダクションカーブを決定する蛍光強度データｄ（ｔ）が得られる。この一連の蛍光強度データｄ（ｔ）より、最大値となる点Ｐにおける最大蛍光強度Ｐ＝データｄ（ｔ）を求める。また、点Ｐの後に現れる極小点Ｓとさらにその後に現れる極大点Ｍの間の平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求める。そして、最大蛍光強度Ｐと平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）の比Ｐ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求める。この値を撮影対象となった植物体の光合成活性を評価する値とする。
【００３５】
ここで、平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求める方法として、極小値Ｓと極大値Ｍを探すことが考えられる。しかし、インダクションカーブの形状は常に一定ではなく、明瞭な極大・極小が現れないときもある。そこで、ここでは次のような簡便で実用性の高いアルゴリズムを用いた。
【００３６】
あらかじめ、測定対象の植物や栽培環境におけるインダクションカーブを測定しておく。そうすると、共通した植物・栽培環境においては、ほぼ同じ時間に最大値Ｐ、極小値Ｓ、極大値Ｍが現れることがわかる。そこで、極小値Ｓが現れる付近の時間を所定の時間範囲の開始時間ｔｓとし、極大値Ｍが現れる付近の時間を終了時間ｔｅとしてこれらの値を保存しておく。そして、開始時間ｔｓと終了時間ｔｅの間の時間に対応する蛍光強度データｄ（ｔ）の平均値を平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）として求める。
【００３７】
一方、最大値Ｐは比較的明瞭に現れることが多いので、一連の蛍光強度データｄ（ｔ）の最大値をＰとして採用してもよい。また、予め測定したインダクションカーブより最大値となる点Ｐが現れると想定される時間Ｐを決定し、この時間Ｐにおける蛍光強度データｄ（Ｐ）を最大蛍光強度Ｐとしてもよい。
【００３８】
この実施例についてさらに具体的に説明する。蛍光画像計測は、日没後1時間以上経過した後、暗期条件下にて行った。計測対象となる個体の成長点が画像に収まるように手動でＣＣＤカメラ２４の位置を調節した後、ＬＥＤパネル光源（面光源２３）を作動させ、３０秒間励起光を照射し、この間のインダクション現象をノート型ＰＣの内蔵ハードディスクに記録した。成長点とＣＣＤカメラの距離は約60cmであり、カメラのシャッタースピードは0.06秒、フレームレートは１５ 枚／秒であった。
【００３９】
記録されたクロロフィル蛍光画像は、Visual Basic6.0にて作成した画像解析プログラムを用いて解析した。図８は画像解析プログラムの表示画面の例を示す模式図である。画像解析プログラムでは、植物体領域の抽出および画像毎の平均蛍光強度の算出を自動的に行い、１個体毎にインダクションカーブを出力する。
【００４０】
LEDパネル光源、ＣＣＤカメラおよびノート型PCを手動式台車に搭載し、植物工場内の作業通路を移動しながらクロロフィル蛍光画像計測を行い、群落全体を対象とした光合成機能診断を行う。計測は、愛媛大学農学部内の太陽光利用型知的植物工場で栽培されているトマト(Salarum lycopersicum L., 品種: 桃太郎ファイト)群落を対象に、２００８年１２月１７日に開始した。Chl蛍光画像計測の対象個体は、植物工場内に均一に分布するように６０個体を選択した。図９は植物工場内の測定対象個体の配置を模式的に示す平面図である。
【００４１】
また、この発明により得られる診断値の妥当性を確認するために、測定対象の植物のクロロフィル（以下、Chlと示す）の濃度およびChl a/b比の測定を行った。Chl蛍光画像計測の対象となる個体の中から18個体(図９の●の個体)を対象とし、Chl濃度およびChl a/b比の測定を行った。各個体から採取した３枚の葉からそれぞれコルクボーラーで直径1.15cmの葉片を切り抜き、これらを試験管に入れ、冷暗所にてDMFに２４時間浸して得られたChl抽出液をセルに分注し、分光光度計((株)日立製作所, U-1100)を用いて646.8nm、 663.8nm、 750.0nmの吸光度A646.8、A663.8、A750を測定し、Porra et al.(1989)の式を用いてChl aおよびb濃度を算出した。この式は、次の通りである。
Chl a 量（μg ml-1）＝12.00 × (A663.8 − A750) − 3.11 × (A646.8 − A750)
Chl b 量（μg ml-1）＝20.78 × (A646.8 − A750) − 4.88 × (A663.8 − A750)
【００４２】
図１０に植物工場内のトマト個体を対象として計測されたインダクションカーブを示す。インダクションカーブの形状の変化を数値評価するために、Ｓ〜Ｍの間のChl蛍光強度の平均値に対するPのChl蛍光強度の比を算出することとし、これをＰ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）と定義した。励起光照射開始からSおよびMの出現までにかかる時間を調べるために、２０個体を対象としてインダクションカーブを測定したところ、Sは励起光照射開始から約13.5秒後（開始時間ｔｓ）、Mは約20.7秒後（終了時間ｔｅ）に出現することがわかった。図１１はこのインダクションカーブの測定例を示すグラフである。この結果に基づき、ave(S:M)は、励起光照射開始から13.5秒後から20.7秒後のChl蛍光強度の平均値とした。
【００４３】
図１２はChl a/b比とP/ave(S:M)の関係を示すグラフである。両者には有意な相関(R=0.82，p＜0.05)が確認された。すなわち、この発明で得られる値P/ave(S:M)は植物の光合成活性評価の指標となりうる根拠が確認された。Chl aとChl bの構成比と光合成機能の関係は、光合成を行う他の植物にも共通であるので、この光合成活性評価方法は、さまざまな種の栽培植物に適用できることが示された。
【００４４】
この光合成活性評価方法によって得られた評価に基づいて、二酸化炭素マイクロバブル含有水の供給を制御することによって、植物の光合成活性に応じた二酸化炭素の供給が行える。例えば、P/ave(S:M)の値が高い区域や個体の植物に対して優先的に二酸化炭素マイクロバブル含有水を供給することができる。また、P/ave(S:M)の値が高い時期により多くの二酸化炭素マイクロバブル含有水を供給してもよい。
【００４５】
この実施例は、ＳＰＡの原理に基づく二酸化炭素供給の一例である。それ以外にも、たとえばサーモグラフィなどで葉温を測定し、葉温が所定値を超えたときに二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧することができる。これによって、葉を冷却して熱ストレスを軽減するとともに、より多くの光を受けているときに多くの二酸化炭素を供給し、効果的に光合成を促進できる。また、日射センサの値に基づいて、より日射の強いときに、より多くの二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧するように制御することもできる。
【符号の説明】
【００４６】
１．二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置
２．マイクロバブル発生装置
３．二酸化炭素供給源
４．噴霧ノズル
５．給水管
６．排水管
７．水槽
８．密閉容器
９．二酸化炭素供給チューブ
１０．二酸化炭素取込口
１１．配水管
１３．動力ポンプ
１４．電磁弁
１５．制御器
２１．光合成活性評価装置
２２．コンピュータ
２３．面光源（ＬＥＤパネル光源）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、栽培植物の局所に対して二酸化炭素を供給する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素（ＣＯ2）は光合成の基質である。農産物生産において、二酸化炭素ガス（ＣＯ2濃度の高い空気やＣＯ2を溶かしこんだ水＜炭酸水＞も含む）を栽培植物へ施用して、栽培環境ＣＯ2濃度を高く保ち、光合成量を増大させ、生育を促進することで収量増加および品質向上を達成することを二酸化炭素（ＣＯ2）施用という。一般に、二酸化炭素ガスは、栽培施設内全域に張り巡らされたエアダクトを通して供給される。
【０００３】
ＣＯ2施用は、ヨーロッパの比較的冷涼で日射が強くない地域において、栽培施設を閉め切って管理する期間の長いガラス温室で実用化された技術である。わが国の大規模トマト生産植物工場においてもＣＯ2施用のための設備が導入されている。たとえば、ＬＰＧを燃焼した際に生じたＣＯ2濃度の高い空気（ＣＯ2濃度は約1500 ppm）を、植物工場内全域に設置したエアダクトにより供給している。このＣＯ2供給用ダクトは、トマトを栽培しているガターの直下にガターと平行に設置されており、ダクト表面の直径約１mmの小孔より施用される。
【０００４】
また、特許文献１には、炭酸水を植物体に噴霧することによるＣＯ2施用方法も提案されている。その要約によれば、給水配管に介装されたインラインミキサーに炭酸ガスと水を供給して炭酸水を製造する炭酸水の製造工程と、この炭酸水の製造工程で製造された炭酸水をハウス内あるいはハウス内の植物へ噴霧する炭酸水の噴霧工程とで植物への炭酸ガスの供給方法を構成している。ここで、炭酸水は、高圧下でバブリング装置により製造している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９９９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
わが国の大規模トマト生産植物工場におけるＣＯ2施用の最も大きな課題は、換気が必要な夏季における効率のよいＣＯ2施用方法の確立である。ＣＯ2施用技術が実用化されたヨーロッパの比較的冷涼で日射が強くない地域に対し、わが国の夏季は、高温・強光・多湿であるため、太陽光利用型植物工場では、気温が上昇しすぎないように換気を行う必要がある。これは、高温となった気体を植物工場外へ送り出し、冷涼な外気を取り入れることで過剰な熱を植物工場外へ排出することを目的としている。このような条件下において、ＣＯ2施用を行っても、植物工場内に施用されたＣＯ2は速やかに植物工場外へ拡散・排出されることになる。実際、夏季の換気を盛んに行う時期において、200 kgＣＯ2ha-1 h-1の能力を持つＣＯ2施用システムをフル稼働させても、植物工場内のＣＯ2濃度は600〜700ppm程度までしか上昇しないことが知られている。
【０００７】
夏季に換気を行うことを前提とすると（現時点の技術では、夏季昼間の無換気状態の維持はコスト的に不可能）、エアダクトにより植物工場内にＣＯ2ガス（または、高ＣＯ2濃度の空気）を供給する形体をとる以上、施用されたＣＯ2は作業通路など、葉などが疎となっている空間を優先して通過し、植物工場外へ逃げて行くことになる。この様なＣＯ2施用を続ける限り、ＣＯ2施用の費用対効果をあげることは困難であり、さらに、温暖化ガスであるＣＯ2を大気中へ放出する農業生産形体は、未来型の持続可能な農業生産としては望ましくない。
【０００８】
一方、特許文献１に記載された発明は、ＣＯ2ガスをバブリングして炭酸水を作成し、これを作成群落上部から噴霧し、水滴をファンで送付して、効率よく水滴を植物葉に付着させようとするものである。しかし、発明者らが、このような方法を試みたとき、植物葉付近の二酸化炭素濃度を十分に向上できないことが判明した。作成した炭酸水から二酸化炭素が急激に放出され、植物体に水滴が付着するときには水滴に含まれていた二酸化炭素の相当量が消失するためである。
【０００９】
さらに、従来のＣＯ2施用は、植物体のどの部分がどの程度の量のＣＯ2を欲しているのかは考慮せず、植物群落全体に対してＣＯ2付与を行うものである。この場合、施用したＣＯ2量が過少（ＣＯ2固定機会の損逸）または過大（ＣＯ2施用コストの無駄）となってしまう。そこで、SPA（Speaking plant approach）コンセプトに基づき、各種植物生体情報計測技術を用いて植物体のＣＯ2要求量を評価し（トマト群落の上層と下層では必要とするＣＯ2量が異なる）、さらに、リアルタイムに計測される環境情報も利用して、植物体の適切な部位に適切な量のＣＯ2を適切なタイミングで施用できることが好ましい。
【００１０】
この発明は、栽培植物の葉の近傍に十分な二酸化炭素を効率よく供給できる二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法および二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を解決するために、この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法は、マイクロバブル発生装置に二酸化炭素と水を導入して二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、この二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズルで栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出することを特徴とする。二酸化炭素マイクロバブルの大きさを３０μｍ未満とし、微小水滴の大きさを３０μｍ以上とすることが好ましい。さらに、ＳＰＡの原理を適用し、夜間において光を植物体に照射し、異なる測定時間ｔにおいて植物体からのクロロフィル蛍光強度データｄ（ｔ）を測定し、クロロフィル蛍光強度データｄ（ｔ）を時系列に並べたときの最大値となる点Ｐにおける最大蛍光強度Ｐ＝データｄ（ｔ）を求め、点Ｐの後に現れる極小点Ｓとさらにその後に現れる極大点Ｍの間の平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求め、最大蛍光強度Ｐと平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）の比Ｐ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求めて、得られたＰ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）に基づいて二酸化炭素マイクロバブル含有水の供給を制御することにより、栽培植物の光合成活性に応じた二酸化炭素の供給が行える。
【００１２】
この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置は、マイクロバブル発生装置と、マイクロバブル発生装置へ二酸化炭素を供給する酸化炭素供給源と、マイクロバブル発生装置により生成された二酸化炭素マイクロバブル含有水を栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出する噴霧ノズルとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法および二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置は、二酸化炭素を植物体の葉に対して効率よく供給することができる。植物の二酸化炭素要求量に応じて必要となる二酸化炭素量を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置の概要を示す概念図である。
【図２】二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。
【図３】二酸化炭素マイクロバブル含有水の水量と二酸化炭素放出量の関係を示すグラフである。
【図４】二酸化炭素マイクロバブル含有水噴霧と二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。
【図５】光合成活性評価装置の例を示す模式図である。
【図６】ＬＥＤパネル光源の発光スペクトルとCCDカメラに装着したロングバスフィルタの透過スペクトルを示すグラフである。
【図７】光量子センサを用いて測定したＬＥＤパネル光源の照射光強度分布を示すグラフである。
【図８】クロロフィル蛍光画像解析プログラムの表示画面の例を示す模式図である。
【図９】植物工場内の測定対象個体の配置を模式的に示す平面図である。
【図１０】植物工場内のトマト個体を対象として計測されたインダクションカーブを示すグラフである。
【図１１】植物工場内の複数のトマト個体を対象として計測されたインダクションカーブの測定例を示すグラフである。
【図１２】Chl a/b比とP/ave(S:M)の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明を実施するための形態について説明する。図１は二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置の概要を示す概念図である。
【００１６】
二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置１は、マイクロバブル発生装置２と、マイクロバブル発生装置２へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源３と、マイクロバブル発生装置２により生成された二酸化炭素マイクロバブル含有水を栽培植物ｘの局所に対して微小水滴として吐出する噴霧ノズル４とを有する。マイクロバブル発生装置２は市販の製品が利用でき、ここでは高濃度マイクロバブル発生装置（(株)ウィンコーポレーション、小型業務用 B-02）を使用する。二酸化炭素供給源３も通常の二酸化炭素ボンベを使用した。
【００１７】
マイクロバブル発生装置２は、給水管５および排水管６で水槽７と接続されている。また、マイクロバブル発生装置２は、密閉容器８の中に収納される。ここでは、密閉容器８として透明なプラスティックバッグを使用した。二酸化炭素供給源３に取り付けられた二酸化炭素供給チューブ９の出口が密閉容器８に挿入されている。
【００１８】
二酸化炭素供給源３から二酸化炭素供給チューブ９に送られる二酸化炭素ガスは密閉容器８に入り、二酸化炭素取込口１０よりマイクロバブル発生装置２に取り込まれる。水槽７の水は給水管５によってマイクロバブル発生装置２に取り込まれる。マイクロバブル発生装置２は直径３０μｍ以下の二酸化炭素マイクロバブルを発生させ、二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、排水管６を通して水槽７へ送る。水は給水管５および排水管６を介して循環し、水槽７に二酸化炭素マイクロバブルが作られる。この例の装置によれば、１００％の二酸化炭素ガスを供給しながらマイクロバブル発生装置２を約１０分間連続運転することにより、水道水（ｐＨ７．２）を用いて１０リットル以上の二酸化炭素マイクロバブル含有水を製造できる。このときの二酸化炭素マイクロバブル含有水のｐＨは４．９であり、弱酸性となっていた。市販の飲料用炭酸水のｐＨが４．４程度であることを考えると、二酸化炭素マイクロバブル含有水中には多量の炭酸が生じていることがわかる。また、二酸化炭素マイクロバブル含有水中の炭酸は飽和状態であると考えられるので、多量の二酸化炭素も溶けていると考えられる。マイクロバブル発生装置２を密閉容器８で覆い、さらに給水管５および排水管６で水を循環させることにより、二酸化炭素のロスを最小限にし、効率よく二酸化炭素マイクロバブル含有水を製造できる。
【００１９】
水槽７は、配水管１１により噴霧ノズル４に接続されている。配水管１１には、動力ポンプ１３が設けられており、水槽７の二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズル４へ送る。噴霧ノズル４は微細な水滴を吐出するもので、例えば細霧冷房用として市販されているノズルを使用することができる。また、配水管１１に電磁弁１４を設けてもよい。
【００２０】
二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置１には、二酸化炭素マイクロバブル含有水の噴霧を制御するための制御器１５が設けられている。制御器１５には、マイクロバブル発生装置２、動力ポンプ１３、電磁弁１４が接続されている。さらに、周囲には、葉温計（サーモグラフィ）など植物の状態を観察する計測器や、温度計、湿度計、日射センサなど環境を観察する計測器を配置し、これらも制御器１５に接続することができる。さらに、実施例で説明するように光合成活性評価装置を併設することもできる。また、動力ポンプ１３や噴霧ノズル４を台車に乗せ、移動可能な装置として構成してもよい。
【００２１】
図２は、二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。二酸化炭素発生量測定用チャンバを用いて、二酸化炭素マイクロバブル含有水からの二酸化炭素の放出によるチャンバ内の二酸化炭素濃度の経時変化を測定している。これより、二酸化炭素マイクロバブル含有水から多量の二酸化炭素が放出され、チャンバ内の二酸化炭素濃度が高くなっていることが確認できる。また、チャンバ内空気の二酸化炭素濃度が長時間高く維持されていることも示されている。
【００２２】
図３は、二酸化炭素マイクロバブル含有水の水量と二酸化炭素放出量の関係を示すグラフである。ここでは、３．５分間の総放出量を表示している。二酸化炭素マイクロバブル含有水の水量にほぼ比例して二酸化炭素放出量が増加している。
【００２３】
図４は、二酸化炭素マイクロバブル含有水噴霧と二酸化炭素の濃度の時間変化を示すグラフである。噴霧ノズル４により３０μｍ以上の比較的大きな水滴を吐出させて、栽培植物の葉の表面に直接吹き付ける。このときの葉の周辺の二酸化炭素濃度の変化を測定した。２分間隔での３０秒間噴霧、５分間連続噴霧、５分間隔での３０秒間噴霧、の３種類の噴霧を行っているが、どの場合にも葉の周辺の二酸化炭素濃度の上昇が確認できる。
【００２４】
一方、栽培植物の群落の上方においても、二酸化炭素マイクロバブル含有水の噴霧を行った。しかし、５〜１０分間隔で３０秒〜２分間の噴霧を行ったが、葉の周辺の二酸化炭素濃度の上昇は認められなかった。したがって、植物体へ直接噴霧を行うことが有効であることが確認できる。また、このように局所的に二酸化炭素マイクロバブル含有水を供給することにより、大きな温室内でも、特定の個体の特定の部位に二酸化炭素を供給することができ、選択的に効果的な制御が行いやすい。また、温室以外でも、露地植えの場合にも適用できる。
【実施例１】
【００２５】
この発明の実施例について説明する。光合成活性評価装置を併設した例である。図５は光合成活性評価装置の例を示す模式図である。この光合成活性評価装置２１は、コンピュータ２２と、植物体に光を照射する面光源２３と、植物体から発せられる光（反射光とクロロフィル蛍光）からクロロフィル蛍光成分のみを通過させるロングパスフィルタ（図示省略）と、ロングパスフィルタを通して植物体のクロロフィル蛍光画像を撮影する撮影装置として赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４とを有する。また、コンピュータ２２と面光源２３とロングパスフィルタと赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４を搭載する移動台車２５を備えている。
【００２６】
コンピュータ２２は、特に限定はなく、市販のパーソナルコンピュータなどが使用できる。制御器１５のコンピュータを使用してもよく、別途コンピュータを設け、制御器１５と接続してもよい。コンピュータ２２には光合成活性評価プログラムがインストールされている。この光合成活性評価プログラムでは、さほど大きな情報処理を必要としないので、小型のコンピュータで十分であり、ノート型ＰＣやモバイルと呼ばれるような種類のものが、移動のために便利である。
【００２７】
植物のクロロフィル蛍光を励起する面光源２３として65cm×65cmのLEDパネル光源（（株）セネコム, M5510A）を用いた。この例では、ロングパスフィルタ（富士フィルム（株）、SC 70）を装着した赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４（Allied Vision Technologies GmbH, Stingray F145B ASG）を用いてクロロフィル蛍光画像を撮像する。図６に、ＬＥＤパネル光源（面光源２３）の発光スペクトルとロングバスフィルタの透過スペクトルを示す。面光源２３の反射光成分はロングバスフィルタによって遮断され、長波長であるクロロフィル蛍光成分のみがロングバスフィルタを通って赤外線領域に感度を有するＣＣＤカメラ２４に検知される。
【００２８】
図７は、光量子センサ（LI-COR, LI-250A）を用いて測定した面光源２３の照射光強度分布を示す。光源からの距離によらず、比較的均一（±11％）に照射されていることが確認された。この面光源２３により、近距離から広範囲に均一な光を投射することができる。
【００２９】
ＣＣＤカメラ２４はＩＥＥＥ１３９４ｂケーブルにてコンピュータ２２に接続されている。ＣＣＤカメラ２４により撮影された画像データは、ＩＥＥＥ１３９４ｂケーブルによってコンピュータ２２に送信される。
【００３０】
ここで、光合成活性評価プログラムについて説明する。この光合成活性評価プログラムはコンピュータ２２にインストールされており、コンピュータ２２やＣＣＤカメラ２４を光合成活性評価装置として作用させるものである。
【００３１】
光合成活性評価プログラムにより、コンピュータ２２はＣＣＤカメラ２４に所定の時間間隔で撮影し、その画像データをコンピュータ２２に送信するように指令する。
【００３２】
画像を構成する画素データは、それぞれがインダクションカーブを得るためのデータとして使用できるものではあるが、この例では、一つの画像データより１個の蛍光強度データを抽出する。そのために、各画像データについて、植物体領域の抽出を行う。植物体以外の領域にあるものは、照射された光と同じ波長の光を反射するのみなので、ロングパスフィルタを通して撮影された画像上では、強度はほとんどゼロである。したがって、比較的低い閾値で、植物体領域とそれ以外の領域とを簡単に識別できる。各画素の輝度値と閾値を比較し、輝度値が閾値を超えた画素を植物体領域の画素としてカウントするとともに、その画素の輝度値の積算も行う。輝度値の積算値を植物体領域の画素数で除することによって、その画像における平均の蛍光強度を算出することができる。
【００３３】
得られた蛍光強度データｄを時間の順にｄ１、ｄ２、ｄ３、…ｄｎ、…と蓄積していくことにより、インダクションカーブの基データが形成される。撮影間隔をΔｔとすれば、ｄｎは時間ｔ＝ｎ・Δｔにおける蛍光強度データｄ（ｔ）ということになる。
【００３４】
一連の撮影が終了すれば、その撮影対象の植物体のインダクションカーブを決定する蛍光強度データｄ（ｔ）が得られる。この一連の蛍光強度データｄ（ｔ）より、最大値となる点Ｐにおける最大蛍光強度Ｐ＝データｄ（ｔ）を求める。また、点Ｐの後に現れる極小点Ｓとさらにその後に現れる極大点Ｍの間の平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求める。そして、最大蛍光強度Ｐと平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）の比Ｐ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求める。この値を撮影対象となった植物体の光合成活性を評価する値とする。
【００３５】
ここで、平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求める方法として、極小値Ｓと極大値Ｍを探すことが考えられる。しかし、インダクションカーブの形状は常に一定ではなく、明瞭な極大・極小が現れないときもある。そこで、ここでは次のような簡便で実用性の高いアルゴリズムを用いた。
【００３６】
あらかじめ、測定対象の植物や栽培環境におけるインダクションカーブを測定しておく。そうすると、共通した植物・栽培環境においては、ほぼ同じ時間に最大値Ｐ、極小値Ｓ、極大値Ｍが現れることがわかる。そこで、極小値Ｓが現れる付近の時間を所定の時間範囲の開始時間ｔｓとし、極大値Ｍが現れる付近の時間を終了時間ｔｅとしてこれらの値を保存しておく。そして、開始時間ｔｓと終了時間ｔｅの間の時間に対応する蛍光強度データｄ（ｔ）の平均値を平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）として求める。
【００３７】
一方、最大値Ｐは比較的明瞭に現れることが多いので、一連の蛍光強度データｄ（ｔ）の最大値をＰとして採用してもよい。また、予め測定したインダクションカーブより最大値となる点Ｐが現れると想定される時間Ｐを決定し、この時間Ｐにおける蛍光強度データｄ（Ｐ）を最大蛍光強度Ｐとしてもよい。
【００３８】
この実施例についてさらに具体的に説明する。蛍光画像計測は、日没後1時間以上経過した後、暗期条件下にて行った。計測対象となる個体の成長点が画像に収まるように手動でＣＣＤカメラ２４の位置を調節した後、ＬＥＤパネル光源（面光源２３）を作動させ、３０秒間励起光を照射し、この間のインダクション現象をノート型ＰＣの内蔵ハードディスクに記録した。成長点とＣＣＤカメラの距離は約60cmであり、カメラのシャッタースピードは0.06秒、フレームレートは１５ 枚／秒であった。
【００３９】
記録されたクロロフィル蛍光画像は、Visual Basic6.0にて作成した画像解析プログラムを用いて解析した。図８は画像解析プログラムの表示画面の例を示す模式図である。画像解析プログラムでは、植物体領域の抽出および画像毎の平均蛍光強度の算出を自動的に行い、１個体毎にインダクションカーブを出力する。
【００４０】
LEDパネル光源、ＣＣＤカメラおよびノート型PCを手動式台車に搭載し、植物工場内の作業通路を移動しながらクロロフィル蛍光画像計測を行い、群落全体を対象とした光合成機能診断を行う。計測は、愛媛大学農学部内の太陽光利用型知的植物工場で栽培されているトマト(Salarum lycopersicum L., 品種: 桃太郎ファイト)群落を対象に、２００８年１２月１７日に開始した。Chl蛍光画像計測の対象個体は、植物工場内に均一に分布するように６０個体を選択した。図９は植物工場内の測定対象個体の配置を模式的に示す平面図である。
【００４１】
また、この発明により得られる診断値の妥当性を確認するために、測定対象の植物のクロロフィル（以下、Chlと示す）の濃度およびChl a/b比の測定を行った。Chl蛍光画像計測の対象となる個体の中から18個体(図９の●の個体)を対象とし、Chl濃度およびChl a/b比の測定を行った。各個体から採取した３枚の葉からそれぞれコルクボーラーで直径1.15cmの葉片を切り抜き、これらを試験管に入れ、冷暗所にてDMFに２４時間浸して得られたChl抽出液をセルに分注し、分光光度計((株)日立製作所, U-1100)を用いて646.8nm、 663.8nm、 750.0nmの吸光度A646.8、A663.8、A750を測定し、Porra et al.(1989)の式を用いてChl aおよびb濃度を算出した。この式は、次の通りである。
Chl a 量（μg ml-1）＝12.00 × (A663.8 − A750) − 3.11 × (A646.8 − A750)
Chl b 量（μg ml-1）＝20.78 × (A646.8 − A750) − 4.88 × (A663.8 − A750)
【００４２】
図１０に植物工場内のトマト個体を対象として計測されたインダクションカーブを示す。インダクションカーブの形状の変化を数値評価するために、Ｓ〜Ｍの間のChl蛍光強度の平均値に対するPのChl蛍光強度の比を算出することとし、これをＰ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）と定義した。励起光照射開始からSおよびMの出現までにかかる時間を調べるために、２０個体を対象としてインダクションカーブを測定したところ、Sは励起光照射開始から約13.5秒後（開始時間ｔｓ）、Mは約20.7秒後（終了時間ｔｅ）に出現することがわかった。図１１はこのインダクションカーブの測定例を示すグラフである。この結果に基づき、ave(S:M)は、励起光照射開始から13.5秒後から20.7秒後のChl蛍光強度の平均値とした。
【００４３】
図１２はChl a/b比とP/ave(S:M)の関係を示すグラフである。両者には有意な相関(R=0.82，p＜0.05)が確認された。すなわち、この発明で得られる値P/ave(S:M)は植物の光合成活性評価の指標となりうる根拠が確認された。Chl aとChl bの構成比と光合成機能の関係は、光合成を行う他の植物にも共通であるので、この光合成活性評価方法は、さまざまな種の栽培植物に適用できることが示された。
【００４４】
この光合成活性評価方法によって得られた評価に基づいて、二酸化炭素マイクロバブル含有水の供給を制御することによって、植物の光合成活性に応じた二酸化炭素の供給が行える。例えば、P/ave(S:M)の値が高い区域や個体の植物に対して優先的に二酸化炭素マイクロバブル含有水を供給することができる。また、P/ave(S:M)の値が高い時期により多くの二酸化炭素マイクロバブル含有水を供給してもよい。
【００４５】
この実施例は、ＳＰＡの原理に基づく二酸化炭素供給の一例である。それ以外にも、たとえばサーモグラフィなどで葉温を測定し、葉温が所定値を超えたときに二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧することができる。これによって、葉を冷却して熱ストレスを軽減するとともに、より多くの光を受けているときに多くの二酸化炭素を供給し、効果的に光合成を促進できる。また、日射センサの値に基づいて、より日射の強いときに、より多くの二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧するように制御することもできる。
【符号の説明】
【００４６】
１．二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置
２．マイクロバブル発生装置
３．二酸化炭素供給源
４．噴霧ノズル
５．給水管
６．排水管
７．水槽
８．密閉容器
９．二酸化炭素供給チューブ
１０．二酸化炭素取込口
１１．配水管
１３．動力ポンプ
１４．電磁弁
１５．制御器
２１．光合成活性評価装置
２２．コンピュータ
２３．面光源（ＬＥＤパネル光源）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロバブル発生装置に二酸化炭素と水を導入して二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、この二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズルで栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出する二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法。
【請求項２】
二酸化炭素マイクロバブルの大きさを３０μｍ未満とし、微小水滴の大きさを３０μｍ以上とする請求項１に記載の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法。
【請求項３】
夜間において光を植物体に照射し、異なる測定時間ｔにおいて植物体からの蛍光強度データｄ（ｔ）を測定し、蛍光強度データｄ（ｔ）を時系列に並べたときの最大値となる点Ｐにおける最大蛍光強度Ｐ＝データｄ（ｔ）を求め、点Ｐの後に現れる極小点Ｓとさらにその後に現れる極大点Ｍの間の平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求め、最大蛍光強度Ｐと平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）の比Ｐ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求めて、得られたＰ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）に基づいて二酸化炭素マイクロバブル含有水の供給を制御する請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法。
【請求項４】
マイクロバブル発生装置と、マイクロバブル発生装置へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源と、マイクロバブル発生装置により生成された二酸化炭素マイクロバブル含有水を栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出する噴霧ノズルとを有する二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置。
【請求項１】
マイクロバブル発生装置に二酸化炭素と水を導入して二酸化炭素マイクロバブル含有水を生成し、この二酸化炭素マイクロバブル含有水を噴霧ノズルで栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出する二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法。
【請求項２】
二酸化炭素マイクロバブルの大きさを３０μｍ未満とし、微小水滴の大きさを３０μｍ以上とする請求項１に記載の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法。
【請求項３】
夜間において光を植物体に照射し、異なる測定時間ｔにおいて植物体からの蛍光強度データｄ（ｔ）を測定し、蛍光強度データｄ（ｔ）を時系列に並べたときの最大値となる点Ｐにおける最大蛍光強度Ｐ＝データｄ（ｔ）を求め、点Ｐの後に現れる極小点Ｓとさらにその後に現れる極大点Ｍの間の平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求め、最大蛍光強度Ｐと平均蛍光強度ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）の比Ｐ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）を求めて、得られたＰ／ａｖｅ（Ｓ：Ｍ）に基づいて二酸化炭素マイクロバブル含有水の供給を制御する請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素マイクロバブル含有水供給方法。
【請求項４】
マイクロバブル発生装置と、マイクロバブル発生装置へ二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給源と、マイクロバブル発生装置により生成された二酸化炭素マイクロバブル含有水を栽培植物の局所に対して微小水滴として吐出する噴霧ノズルとを有する二酸化炭素マイクロバブル含有水供給装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−５０２９３（Ｐ２０１１−５０２９３Ａ）
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０１１９２（Ｐ２００９−２０１１９２）
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（５０４１４７２５４）国立大学法人愛媛大学 (214)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（５０４１４７２５４）国立大学法人愛媛大学 (214)
【Ｆターム（参考）】
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