都市農場ガイド

垂直農場におけるLED照明の役割と光環境制御の要点

はじめに

都市型垂直農場において、植物の生育を最適化するために最も重要な要素の一つが「光環境」です。従来の施設園芸では太陽光を利用することが一般的でしたが、密閉された多段式の垂直農場では、人工光源が植物の生育に必要な光を供給する役割を担います。中でもLED（発光ダイオード）照明は、その省エネルギー性、長寿命、そして最大の特長である光スペクトルや光量の精密な制御能力から、垂直農場の核となる技術として広く採用されています。

本記事では、垂直農場におけるLED照明の基本的な役割から、植物の生育に合わせた光環境制御の考え方、システム設計や運用における要点について解説します。既存の施設園芸の経験を持つ読者の方々にも、垂直農場特有の光環境制御技術への理解を深めていただけるよう、具体的な情報を提供いたします。

垂直農場における光の基本的な役割

植物の生育において、光は単に「明るさ」として認識されるだけではありません。光は以下の二つの主要な役割を担います。

1. 光合成: 植物がエネルギーを生成するための根幹となるプロセスです。葉緑体で行われ、水と二酸化炭素を材料に、光エネルギーを利用して糖（養分）と酸素を生成します。光合成に必要な光の波長域は主に赤色光（約600-700nm）と青色光（約400-500nm）です。
2. 光形態形成: 光の質（スペクトル）、方向、周期などが、植物の形態（形や大きさ、花芽形成など）や生理反応に影響を与える現象です。例えば、青色光は茎の徒長を抑制し、葉を厚くする傾向があります。赤色光とファーレッド光（約700-800nm）の比率は、植物の伸長や開花に影響を与えます。

垂直農場では、これらの光の役割を最大限に引き出すため、植物の種類や生育ステージに応じて、供給する光の量、時間、そして質（スペクトル）を精密に制御することが求められます。

LED照明の利点と従来の照明との比較

施設園芸でこれまで利用されてきた蛍光灯や高圧ナトリウムランプ（HPSランプ）と比較して、垂直農場におけるLED照明は多くの利点があります。

• エネルギー効率: 同等の光合成有効光量子束密度（PPFD）を提供する上で、LEDは蛍光灯やHPSランプよりも少ない電力で済みます。これにより、ランニングコストの削減に大きく貢献します。
• スペクトル制御: LEDは様々な波長の光を個別に組み合わせることで、植物が必要とする特定の波長組成（スペクトル）を持つ光を作り出すことができます。これは、特定の植物種や生育目的に最適な光環境を実現する上で非常に強力なツールとなります。従来の照明は固定されたスペクトルしか持たないことがほとんどです。
• 熱発生の抑制: LEDは光を生成する際の熱発生が比較的少ないため、植物体表面の温度上昇を抑えられます。これにより、光源と植物体を近接させることが可能になり、多段栽培におけるスペース効率を高めることができます。また、空調負荷の低減にも繋がります。
• 長寿命: LEDチップの寿命は非常に長く、交換頻度を減らせるため、メンテナンスコストの削減に貢献します。

これらの利点から、垂直農場のような閉鎖・半閉鎖環境で高密度栽培を行うシステムにおいて、LED照明は不可欠な技術となっています。

植物の生育を最適化する光環境制御の要素

垂直農場におけるLEDを用いた光環境制御は、主に以下の要素を精密に調整することによって行われます。

1. 光量 (PPFD)

   • 定義: PPFD（Photosynthetic Photon Flux Density；光合成有効光量子束密度）は、単位時間、単位面積当たりに植物の光合成に有効な光子（波長400nmから700nmの範囲）がどのくらい到達するかを示す値です。単位はμmol/m²/sで表されます。
   • 制御: 植物の種類や生育ステージ、そして他の環境要因（CO2濃度、温度、湿度など）に応じて適切なPPFDを設定します。例えば、葉物野菜の実生期には比較的低いPPFDで十分ですが、生長が進むにつれてより高いPPFDが必要になります。
   • 実践: 照明器具の設置高さや密度、あるいは個々の器具の出力を調整することでPPFDを制御します。高すぎるPPFDは光阻害を引き起こす可能性があり、低すぎるPPFDは生育不良や収量減少に繋がるため、作物の反応を観察しながら最適な値を見つけることが重要です。

2. 積算光量 (DLI)

   • 定義: DLI（Daily Light Integral；一日積算光量）は、一日当たりに単位面積が受け取る光合成有効光子の総量です。単位はmol/m²/dayで表されます。PPFDと光周期（点灯時間）を掛け合わせることで算出されます。
   • 制御: 植物が必要とする一日当たりの総光量を確保するために、PPFDと点灯時間（光周期）の組み合わせを調整します。例えば、比較的低いPPFDで長時間照射するか、高いPPFDで短時間照射するかを選択できます。
   • 実践: DLIは植物の収量に大きく影響する要素です。設定するDLIは作物によって異なりますが、一般的に葉物野菜では12-17 mol/m²/day程度が目安とされることが多いです。適切なDLIを確保しつつ、光周期を調整することで植物の概日リズム（生物時計）にも影響を与えることが可能です。

3. 光スペクトル

   • 定義: 光スペクトルは、光に含まれる様々な波長とその強度の分布です。垂直農場用LED照明では、赤色、青色、緑色、ファーレッドなどのLEDチップを組み合わせて、特定のスペクトルを持つ光を生成します。
   • 制御: 赤色光と青色光は光合成に不可欠ですが、その比率を変えることで植物の形態形成に影響を与えられます。例えば、青色光の比率を高めると葉が肉厚になり、徒長が抑えられる傾向があります。緑色光は比較的葉に吸収されにくいですが、葉の奥深くまで透過し、下葉の光合成に貢献する可能性や、人間の目にとっての作業環境の改善に役立つといった側面があります。ファーレッド光は、単独では光合成にあまり利用されませんが、赤色光との組み合わせで茎の伸長や開花を促進する効果が知られています。
   • 実践: 導入するLED照明器具の選定において、提供可能なスペクトル範囲や、スペクトルを動的に制御できる機能の有無を確認することが重要です。特定の作物や、望む植物の形態（コンパクトに育てたい、丈を高くしたいなど）に合わせて最適なスペクトルを探索・設定します。

光環境制御システムの導入と運用

精密な光環境制御を実現するためには、高性能なLED照明器具と、それを統合的に管理する制御システムが必要です。

• 照明器具の選定: 信頼性、エネルギー効率、提供可能なスペクトル、光量、そして寿命などを比較検討します。初期投資とランニングコスト（電気代、交換費用）の両面から評価が必要です。また、設置スペースや既存施設（もし改修して利用する場合）の構造に適合するかどうかも重要な考慮事項です。
• 制御システムの機能: 個々の照明器具またはグループごとに、点灯時間、光量（PPFD）、そしてスペクトルをプログラム可能であるか確認します。生育ステージに応じた自動制御、タイマー設定、他の環境センサー（温度、湿度、CO2など）との連携機能があると、より高度で効率的な環境制御が可能になります。
• システム運用: 設定したパラメータに基づいて照明システムを運用します。定期的なPPFDの測定（照度計や分光器を使用）や、植物の生育状況の観察を通じて、設定値が適切かどうかを評価し、必要に応じて調整を行います。トラブル（一部不点灯、制御エラーなど）が発生した際の迅速な対応も重要です。
• 熱管理: LED照明からは比較的熱が発生するため、棚内や栽培室全体の温度管理システム（空調、換気）と連携させて、植物にとって最適な温度環境を維持する必要があります。

既存施設からの転換と光環境制御の課題

従来の温室などの施設園芸から垂直農場への転換を検討する際、LED光環境制御は特に新しい技術領域となります。既存の知識を活かしつつ、新しい技術を習得し、システムを構築する必要があります。

• 技術習得: 光合成、光形態形成に関する基礎知識に加え、PPFD、DLI、スペクトルといった垂直農場特有の光の指標や、LED技術に関する知識を習得することが求められます。メーカーや研究機関が提供する研修、セミナー、技術情報などが有効です。
• 設備投資と既存設備の活用: LED照明システムは初期投資が大きい要素の一つです。既存施設の建屋やインフラ（電源設備など）をどこまで活用できるかを検討し、全体のコストを算定します。計画段階で専門家のアドバイスを求めることも有益です。
• 栽培ノウハウの再構築: 太陽光利用を前提とした従来の栽培ノウハウに加え、LEDの人工光下での最適な栽培方法を確立する必要があります。特定の作物におけるPPFD、DLI、スペクトルの最適な組み合わせは、実証試験や他施設の事例を参考にしながら、自らの施設で最適化していくプロセスが必要です。

まとめ

垂直農場におけるLED照明は、単なる光源ではなく、植物の生育を精密に制御するための重要なツールです。光合成や光形態形成といった植物の光応答を理解し、PPFD、DLI、スペクトルといった要素を適切に管理することで、収量、品質、生育期間の最適化が可能になります。

既存の施設園芸の経験は、栽培管理や病害虫対策などで垂直農場でも活かせる部分が多くあります。一方で、光環境制御のような新しい技術領域については、基礎知識の習得と実践を通じたノウハウの蓄積が不可欠です。

垂直農場の導入や運用において、LED光環境制御は成功の鍵を握る要素の一つです。最新の技術動向を注視し、自らの栽培システムに最適な光環境を追求していくことが、持続可能で収益性の高い垂直農場経営に繋がるでしょう。