LED栽培：LED光源で植物の成長を促進

2050年までに、世界の人口は97億人に達すると予想されています。土壌、水、エネルギーなどの資源を慎重に利用しながら、この人口を養うのは農業の課題です。

解決策のひとつがLED栽培です。この技術を使えば、太陽光のあまり届かない環境でも作物を育てることができます。LED栽培は、LEDの色光を利用することで、植物の成長を最適化することが可能になります。

LED照明は省エネであり、農薬や肥料の使用、作物による水や土地の利用を最小限に抑えられます。都市中心部の近くに温室を建てることで輸送経路を短縮し、CO2汚染を削減することができます。例えば、アメリカで栽培されるレタスの98％はカリフォルニアとアリゾナ産です。ニューヨークの消費者に新鮮なレタスを届けるには、トラックや貨物列車で最大4,200kmも移動しなければなりません。輸送コストは販売価格に大きな影響を与えるため、都市型農業のLED導入により、野菜が安く販売できます。

LED照明があることによって、都市型農業や垂直農法といった供給方法が可能になります。

室内植物の栽培に最も重要な光源は、かつて高圧ナトリウムランプでした。一方、LEDライトはエネルギー効率が高く、発熱量も少なく、長寿命です（表1、表2）。

表 1： 高圧ナトリウムランプ

表 2: LED (@350mA):

表1・表2：LED光源とHID光源の光量子効率（出典：Würth Elektronik）

高圧ナトリウムランプの初期コストは、LEDの2～4倍です。さらに、LED照明は消費電力が少ないため、1～2年で投資回収が可能です。これはウォールプラグ効率と呼ばれる数値で、入力電力と光出力の比率、つまり電力の何パーセントが光に変換されるかを示しています。

高圧ナトリウムシステムは、ウォールプラグ効率50％以上ですが、616 nmのハイパーレッドLEDと450 nmのディープブルーLED（この2つの波長は農業用途に最適）を組み合わせた最も効率的なLEDシステムでは、80%以上の値を達成できます。

適切な温度（最大動作温度以下）では、LEDは最大60,000時間動作し、1日あたりそれぞれ18時間、12時間、8時間動作させた場合、9.1年、13.7年、20.5年に相当します。温度が高くなったり、大電流で動作したりすると、この数値は大幅に低下します。LEDは、その光出力の約70％まで動作させることが可能です。

高圧ナトリウムランプ（1000W）の寿命は、10,000～24,000時間、つまり1日平均18時間、12時間、8時間の使用で3.7年、5.5年、8.2年です。しかし、要求されるルーメン値を満たすため、最初の5年以内に電球を交換しなければなりません。

メタルハライドランプの寿命は6,000～20,000時間で、蛍光灯（T-5・T-8）の寿命は20,000～36,000時間です。必要なルーメン値を満たすため、ランプはこの最大値に達する前に交換されます。

光にはさまざまな特性があり、植物の成長・発育を制御しています。主な要素は、光源のスペクトル、効率、強度です。また経済的な観点からは、ライトの寿命、投資コスト、運営コストも重要な要素です。

白色LEDは、高圧ナトリウムシステムより高効率です。発光効率は66%なので、直下型赤色/青色LEDを大幅に下回ります。

植物は動かないので、照射する波長と光強度にしか反応しません。そのため、日陰での成長、日中／夜間の成長、気候の違いなどに反応することがあります。さまざまな波長の人工光を用いて、植物の成長・発育段階を制御・操作することができます。その結果生じる反応には、光合成速度、植物の解剖学的構造への影響（光形態形成）、成長方向の決定（光屈性）などが含まれます。

植物の光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換して生体に必要な有機物質を作り出す反応です。この過程では、クロロフィルなどの光合成色素が光を化学エネルギーに変換します。主に二酸化炭素と水から炭水化物を作るのに利用されます。

図1

光合成有効放射量（PAR）

主な色素はクロロフィルAとクロロフィルBがあります。クロロフィルAは光合成活性の約75％を占める主要な光色素で、〜435nmと〜675nmに吸収ピークがあります。クロロフィルBは〜460nmと〜640nmに吸収ピークを持ち、光合成に使用できる波長範囲を広げます。この赤/青の範囲は光合成有効放射（PAR）と呼ばれ、約400nmから700nmの範囲に及びます（図1）。実験によると、赤色/青色のスペクトルは、白色照明のスペクトルよりもバイオマスの比率が高くなります。

緑色の光（500～600nm）は、植物の発育にはあまり関係がないと考えられてきましたが、他の植物の日陰にいる植物は、この波長に対して「避陰反応」を引き起こす研究結果が出ています。通常、白色LEDでこの波長域の光が生成され、同時に青色波長も提供されます。

室内農業では、LEDは一般的に赤と青、または赤と白の組み合わせで使用されます。白色LEDは "自然に "青色を多く発光しますが、赤色の波長域の光も供給します。単に白色LEDを使用した場合、赤色LEDを直接使用した場合よりも、同数の赤色光子に多くのエネルギーを消費します。

図2

赤色LEDと白色LEDを使用した場合のコスト

OSCONIQ S 5050は蛍光体が変換する赤色光子の比率を低減することで、赤色と白色のスペクトルでより高いシステム収率を達成します。特殊な蛍光材料は、赤色スペクトル範囲に対応します。これにより、LEDの白色光における赤色の割合が大幅に減少し、赤色/白色LEDの組み合わせは、エネルギーを節約することができます。

栽培用ライトは、植物の効率的な成長を保証するため、一定量の光子を供給する必要があります。植物の種類によって必要な光量は異なります：

• PPF（Photosynthetic Photon Flux：光合成有効光量子束）は、1秒間に放出される光子の総量を表します。単位はμmol/sです。
• PPFD（Photosynthetic Photon Flux Density：光合成光量子束密度）は、1平方メートルあたり1秒間に照射される光子（光の粒）を示します。単位はµmol/m2・sです。
• PPE（Photosynthetic Photon Efficacy：光合成光子効率）は、電力をPARの光量子に変換する照明システムの効率を示します。単位はµmol/Jです。

例えば、トマトの光合成光量子束密度（PPFD）は300～500µmol/m2・s、レタスは150～300µmol/m2・sを必要とします。

1平方メートル当たり、高強度の光子が存在すれば、通常、光合成による植物の成長は活発になりますが、この過程には限界があり、それは植物が吸収・処理できる二酸化炭素の量に左右されます。それぞれの植物種には、異なる対数曲線が適用されます。

LED照明を使用する場合、収量を向上させたり、成長期に影響を与えたりするために、光学的・電気的な調整を行うことができます。適切な光の配合を作ることは、難しい作業です。

利用者をサポートするために、LEDメーカーはオンラインで発光計算式を作成するツールを提供しています。これらのツールは通常、全スペクトル、光合成光量子束（PPF）、波長の比色などを計算するために使用される入力電流やLEDの数などの情報を得ることができます。

LEDによる植物照明システムは、研究開発目的でも開発されています。研究者と農家は、研究室や温室でLEDを使用し、植物に適した光と栽培方式を開発し、品質、量、成分などの優れた特性を生み出すことが可能です。

• 赤色光（630～660nm）は光合成に重要な波長であり、主に茎の伸長に関与します。赤色光は開花、休眠期、発芽にも影響があります。
• 青色光（400～520nm）も光合成に重要な波長ですが、青色光が強すぎると成長が阻害されるため、他の波長と混ぜる必要があります。この波長はまた、クロロフィル濃度に影響を与え、側芽の成長を促進し、葉の厚さを増加させます。
• 遠赤色光（720～740nm）は、発芽に影響を与え、植物の開花期を短縮し、茎の伸長を促進させます。
• 紫外線（280～400nm）は研究段階です。レタスやトマトのような一部の植物は、この波長に耐性があります。これらの波長は真菌類に有効であるという研究結果も出ています。紫外線は、植物の栄養に重要な抗酸化物質やポリフェノールの生成に関与している可能性があります。
• 波長 (λ, nm) - LEDが発する光の波長を示します。
• 光合成有効放射（PAR、～400nm- ～700nm） - 植物が光合成に必要とする光の波長域です。この数値は時に誤解を招くことがあります。この範囲では、すべての波長が光合成にとって等しく重要であると考えられていますが、光合成の主役は赤と青です。つまり、緑色LEDの波長はPARの範囲内であっても、植物の成長に限られた影響しか与えません。
• 光合成光量子束（PPF、μmol・s-1）-LEDが1秒間に生産する光合成活性光子の総量を表します。光合成は、光エネルギーを化学エネルギーに変換して有機物質を作り出す反応過程です。
• 光合成光量子束密度（PPFD、μmol-m-2・s-1）-1秒間に測定面に到達する光合成活性光子の総量を表します。この数値は光源からの距離と角度に大きく影響されます。これは通常、PAR波長のみに反応する量子メーターで測ります。
• 光量子効率(µmol-J) - このパラメータは、使用される電気エネルギーの1ジュールあたりPPFを生成するLEDの効率を示します。
• ウォールプラグ効率（WPE、％） - これはエネルギー変換効率として定義され、光出力に対する電力量の比率です。
• 赤青光比 - LEDシステムが発する赤色光と青色光の比率です。