(57)【要約】【課題】植物の栽培効率を向上させると共に植物栽培のための経費を低減させて、栽培効率を最適化し得る植物工場における植物培方法を提供する。【解決手段】植物育成用の人工照明の明期と暗期とが周期的に繰り返されるように制御され、かつ植物成長促進用の二酸化炭素が供給されるようになされた植物工場において、栽培室壁の一部に栽培平面よりも高い位置に開口部を有して栽培室外気と流通できるようになされてあり、また二酸化炭素は炭化水素の燃焼によって得られ、燃焼ガスを一定の速度で供給することにより栽培室内の二酸化炭素濃度が人工照明の明期暗期に対応する周期的鋸歯状波形を示すようになされてあり、このさい人工照明の明期時間長は暗期時間長よりも短く設定されることを特徴とする。【選択図】図２
2018046774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物育成用の人工照明の明期と暗期とが周期的に繰り返されるように制御され、かつ植物成長促進用の二酸化炭素が供給されるようになされた植物工場において、
栽培室壁の一部に栽培平面よりも高い位置に開口部を有して栽培室外気と流通できるようになされてあり、また前記二酸化炭素は炭化水素の燃焼によって得られ、該燃焼ガスを一定の速度で供給することにより栽培室内の二酸化炭素濃度が前記人工照明の明期暗期に対応する周期的鋸歯状波形を示すようになされてあり、このさい前記人工照明の明期時間長は暗期時間長よりも短く設定されることを特徴とする植物工場における植物栽培方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工光源によって照明され、同時に二酸化炭素を供給して植物を栽培する植物工場における植物栽培方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明で提案する植物工場とは、人工光源で植物を栽培するいわゆる完全制御型に属する施設であって、かつ通常大気中で栽培するよりも更に収穫量を増すために追加して二酸化炭素ガスを供給する装置を有する公知の施設であるが、本発明はこれを更に改良したものである。
【０００３】
従来の植物工場においては、植物育成用の人工照明が通常周期的な明期と暗期の繰り返しで制御される。このとき光合成速度は照度のほかに栽培環境内の二酸化炭素濃度に依存する。通常大気中の二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ程度であるが、光合成速度を増すために特別に栽培空間の二酸化炭素濃度を（例えば１０００ｐｐｍ以上に）増すべく、栽培室内の植物に二酸化炭素ガスを供給することも行われている。なお、人工照明に加えて二酸化炭素の追加施肥を行いこれを調整する技術の公知例として、特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４７３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術では、二酸化炭素ガスを供給するために、多くの場合二酸化炭素高圧ボンベ装置を設置して、これから電磁バルブを経てガスを供給することが多い。この場合には、栽培室内の二酸化炭素濃度を計測してこれが一定に保たれるように二酸化炭素ガスの供給が調節される。光合成の進展あるいは漏れ損失などによって濃度が設定値より低下してゆくので、これを監視検出して、電磁バルブを開きボンベより減圧弁を介して二酸化炭素を供給し、設定濃度に戻れば供給を停止することによって所定の一定濃度を保つようになされる。
【０００６】
この方法は公知であるが、高圧の二酸化炭素ガスボンベや濃度計測と調整のため減圧弁や濃度計に連動したリミッタースイッチ、電磁リレーバルブなどの関係設備は高価である。また高圧ボンベの保管操作の注意配慮が必要になる。またボンベに充填された二酸化炭素自体は高純度かつ高価なので、植物に対しては過剰な高品質でもあり、したがって関係する固定経費と流動経費もいちじるしく高価となる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、植物の栽培効率を向上させると共に植物栽培のための経費を低減させて、栽培効率を最適化し得る植物工場における植物栽培方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本発明は、植物育成用の人工照明の明期と暗期とが周期的に繰り返されるように制御され、かつ植物成長促進用の二酸化炭素が供給されるようになされた植物工場において、栽培室壁の一部に栽培平面よりも高い位置に開口部を有して栽培室外気と流通できるようになされてあり、また前記二酸化炭素は炭化水素の燃焼によって得られ、該燃焼ガスを一定の速度で供給して、栽培室内の二酸化炭素濃度が前記人工照明の明期暗期に対応する周期的鋸歯状波形を示すようになされてあり、このさい前記人工照明の明期時間長は暗期時間長よりも短く設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、市販の炭化水素の燃焼ガスが常時継続して栽培空間に供給され、その栽培空間における二酸化炭素濃度は、人工照明の断続に対応して時間的に周期的な鋸歯状波的波形を示すようになり、その濃度波形は、照明周期との相互関係により特定の対称的または非対称的の波形を示すように設定される。また、人工照明の明期暗期の照明断続時間を変化させることができる。これらのことから、植物の栽培効率を向上させると共に、植物栽培のための経費を大幅に低減させることが可能になる。このさい、照明時間を調節することで経営効率向上の最適条件をも達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】照明の暗期と明期の時間が等しいときの典型的な二酸化炭素濃度の時間変化を示す図
【図２】さらに進んで明期を短縮する改良例を示す図
【図３】具体的計算例として、比較的大規模の植物工場の例を示す図
【図４】比較的小規模の植物工場の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明においては、二酸化炭素は有機物燃焼ガスから得られるので、これを利用する。本発明は規模の大小によらず、大規模火力発電所にも適用可能である。しかし本発明の特徴は、小規模の植物工場にも適用可能なることであって、特に以下には小規模工場や農家に応用した場合について説明する。
【００１２】
まず燃焼ガスの条件について述べる。植物や人体に有害な副産物（二酸化硫黄など）を含むものは不適当で、無害かつ安価の燃料ガスが必要である。このためには市販の低圧ボンベを使う炭化水素系のＬＰガス（ブタン、プロパンなど）あるいはメタンガスやＬＮＧガス、さらには灯油が選ばれ、どれでも本発明に適用できる。この場合に、単位重量または単位コストあたりに含まれる炭素量でいえばＬＰガスがＬＮＰガスよりも優っているし、また灯油は既に酸素原子を含む。従って燃焼によって発生する二酸化炭素モル量ではＬＰガスが優れていて経済的にも有利であるので、以下ではＬＰガスを使用する場合を例示する。
【００１３】
本発明のうちで最も簡単な場合は、一定の速度で燃焼ガスを定常的に栽培空間に供給する場合なので、まずこの方法を用いる図１を説明する。図１は典型的な二酸化炭素濃度の時間変化を示し、縦軸は基準状態における栽培空間の二酸化炭素濃度（Ｃ）である。横軸は時間ｔで通常は１日２４時間周期で運転される。鋸歯状波の周期は１日２４時間のサイクルで、暗期１２時間と明期１２時間とからなり、鋸歯状波形は左右対称の２等辺３角形を示す。
【００１４】
図１のＣ１は明期終点（暗期開始点）における濃度極小値である。Ｃ２はＣ１から１サイクルすなわち２４時間経過後の、次の濃度極小値で、本来Ｃ１と同じ意味を持つ点であり、波形が安定に繰り返すためにはＣ１＝Ｃ２で繰り返されることが必要である。またＣ１やＣ２が横軸よりも高い位置に描かれているのは、大気中の自然濃度などの存在による濃度（バイアス）があることを示す。つまり、図１のＣ１は２４時間のうちで二酸化炭素濃度は最低位置にある。その後は暗期で光合成が無く燃焼ガスの供給によって濃度は増加して、暗期の終点（明期の始点）において最高点Ｃ１２に達する。その後には光合成が始まるので二酸化炭素の消費が始まる。このときの経過を次に述べる。
【００１５】
二酸化炭素は明期暗期を通じて２４時間常時供給されるが、光合成は明期（例えば１２時間）のみ行われる。明期の間の光合成による二酸化炭素消費速度は、栽培空間中の二酸化炭素濃度（Ｃ）にほぼ比例するので、Ｓを比例定数としてＣ×Ｓで表示される。ここでは後記のような周期的安定運転を目的とするので、光合成による二酸化炭素消費速度（ＣＳ）が二酸化炭素供給速度（ｂ）より大きくなるように、ＣＳ＞ｂと設定されるので、明期開始後の濃度は、それまでに蓄積した二酸化炭素濃度Ｃ１２から減少してゆく。両者の差（ＣＳ−ｂ）が濃度減少速度を決める。
【００１６】
前記明期の終点（暗期の始点）において濃度は最低（Ｃ２）となり、通常はＣ１に戻ってＣ１＝Ｃ２となり、以後は定常周期的に繰り返され、図１のように１日を周期とする鋸歯状波形を示しながらの安定な運転を継続する。もし明期と暗期とを１日のうちで１２時間ごとに等分した場合には、図１の波形は対称な２等辺３角形となる。このような状態を実現できることは容易に確認することができる。これを基準状態と呼ぶことにする。
【００１７】
この方法は、上記の高圧ボンベの方法と対蹠的である。高圧ボンベ法においては、常時所定の一定濃度を保つように調整されて、濃度は常に一定で時間軸と平行な水平線を示す。しかし暗期には光合成がなされないのに不要に高い二酸化炭素濃度を維持することとなるが、その間に栽培室からの漏れが存在するし、また作業員の出入りに際してのドアの開閉も大きな損失の原因である。その対策として光合成しない暗期だけ濃度を下げようとしても、その制御に更に高いコストがかかるだけなので、コストの無駄を増すことになる。
【００１８】
一般に、作業員の出入りに伴う二酸化炭素の逃亡損失は本発明でも完全には避けがたいので、過大な二酸化炭素濃度では経済的な損失も多くなり、実用上好ましくない。経営的に適用し得る最高濃度は植物工場の構造によるが、例えば１００００ｐｐｍ以下の程度と推定されるので、本発明においても適用される最高濃度には実用的な上限が存在する。以下の説明では１０００ないし２０００ｐｐｍの範囲でも顕著な改良効果を示す例を述べる。
【００１９】
高圧ボンベ方式に反して、本発明では二酸化炭素は暗期において蓄積のみがなされて、濃度が最高点Ｃ１２に達した以後に明期に転じ、光合成を開始する。二酸化炭素濃度は低下し、明期終点ではサイクルの始点（暗期始点）に戻る。このようにすれば安定的にサイクルは継続して繰り返し、暗期における損失は少なくなる。
【００２０】
低圧ボンベからのＬＰガス燃焼ないし供給量は、（増産すべき所定の光合成量に対応して予定される）空間中の二酸化炭素濃度を大気中（４００ｐｐｍ）よりも平均的に高い領域で動作するように設定され、これにより自動的に新しい鋸歯状波形の安定した繰り返しが維持される。以後は調整不要で継続するが、ＬＰガス消費量に相当した光合成成長速度を保って、新しい繰り返しサイクルが自動的に安定継続する特徴がある。すなわち二酸化炭素濃度を監視し調整する自動化装置の固定費用や運転費用が不要である。高圧ボンベ法に比べて二酸化炭素施肥に関するコストは数分の１になる。
【００２１】
Ｃを二酸化炭素濃度、Ｓを光合成に関係する比例定数、ｂを燃焼ガス供給による二酸化炭素濃度増加率とすると、
【数１】
2018046774.tif 000003
であり、安定運転条件はＣＳ＞ｂである。積分境界条件としては、t＝０の時の濃度初期値（Ｃ１，Ｃ２）が考慮される。また暗期に蓄積中の濃度変化は
【数２】
2018046774.tif 000004
である。
【００２２】
明期における濃度減少傾向は、数１を積分して厳密には指数関数の一部であるべきだが、ｔが小さいときの濃度は減少でも増加でも、ともに近似的に直線的であって、これらは実験的にも確かめられた。従って近似的に明期の濃度減少については、
【数３】
2018046774.tif 000005
暗期の濃度増加については、同様にして、
Ｃ＝Ｃ１＋ｂｔ
これらの定数は実験的に決めることができる。
濃度の上り下りの傾斜が等しくて経過図形が２等辺３角形をなすときには、
ＣＳ＝２ｂ
これが基準状態である。
【００２３】
この鋸歯状波のサイクルが安定的に保持される性質を持つことについて説明する。先ず、増加した二酸化炭素の水中への溶解の影響がないことを述べる。二酸化炭素は純水に溶解して弱酸性（ｐＨ５．６程度まで）になるが、これが成長に影響を及ぼす可能性がある。しかし実用養液は種々の添加化合物組み合わせによる複雑な処方が選ばれ、ｐＨ６．６程度の緩衝溶液として設計されているので、これに対する二酸化炭素の溶解およびｐＨに対する影響は小さく、一定不変値を保つと仮定して差し支えはない。実際にも二酸化炭素の大気中濃度変化による養液のｐＨ変動や濃度（ＥＣ）変動も起らないことが確認されたので、上記の式において溶液中への溶解は大きい影響を持たない。
【００２４】
また植物を収穫して、その跡地に次の苗を定植すると、植物工場の栽培室全体の植物の葉の表面積が一時的に小さい状態となるので、全体の光合成速度つまり二酸化炭素濃度消費速度も小さい状態から出発することになる。数日経過して栽培室内の葉の総面積が増加するにしたがって、もとの定常的サイクル状態に漸近する非線形的傾向を持つ。しかしこの植物工場において一回の収穫定植サイクル面積を栽培室全面積の一部分に限り、他の面積においては日数をずらせた栽培サイクルを同時に走らせておけば、栽培室全体としては比較的に平均化されて、このような鋸歯状波の余分な過渡的変動を軽減することができる。
【００２５】
また、別の事情についても注釈を加える。収穫や定植時には労働者が室内において作業に従事するために、呼吸により発する二酸化炭素が追加されて、室内の二酸化炭素濃度は作業終了時において最も高くなりがちである。従って当日の濃度変化の鋸歯状波形は高めの点からスタートして、その後も濃度は高めに推移する傾向を残す。しかし高い二酸化炭素濃度は高い光合成速度をもたらすので、この傾向も数日のうちに平坦化されて濃度は基準のサイクルを示すよう漸近する。
【００２６】
以上の若干の例から判るように、もしサイクルの途中で若干の変動要因が加わったとしても数日のうちに安定化平均化される因子が働き、基準的なサイクルに漸近し、安定的に維持継続するのであり、このことは実験でも確認された。すなわち短期的な外乱が生じても安定化する傾向を持つので、いろいろな乱れ要因は本発明の基本条件であるところの「安定的な鋸歯状波の運転継続状態」の実現を妨げるものではない。
【００２７】
安定運転のための二酸化炭素供給について、如何に条件を選定し確立するかの手法を説明する。まず特に二酸化炭素を供給しない（ｂ＝０）で、通常の大気だけを流通させながら栽培した時には、露地栽培と同様な二酸化炭素濃度なので、成長速度は一定の（しかし目的よりも小さな）値である。（ランプ照射条件や、養液、栽培期間等は一定）そのパラメーターを実験的に知っておく。
【００２８】
次にＬＰガスの少量を燃焼させて燃焼後のガスを常時供給する（ｂ＞０）と、暗期中に蓄積された二酸化炭素の濃度は前節の大気中の場合よりも高いレベル（新しいＣ１２）に達し、これによって明期に転じてからの光合成は基準状態より高い濃度域から光合成をスタートする。この光合成速度は増えた濃度に比例して増加するので、増えた二酸化炭素は基準的場合よりも早く消費される傾向となり、こうして濃度は新しいサイクル始点（新しいＣ１）に回復する傾向を持ち、新しい鋸歯状波形の安定的繰り返し状態が実現する。光合成量は増加した濃度（平均値）に比例して増加する。この論理は一般的に成立する。
【００２９】
二酸化炭素濃度の鋸歯状変化は、照明の明期暗期と一定の位相関係を保つ。明期と暗期の時間長が等しいとき、例えば１日２４時間のうち明期１２時間、暗期１２時間の場合には濃度の時間変化形状は左右対称の２等辺３角形となるので評価しやすい。
最も部品が少なく簡便でコスト的にも好ましいのは上記ガス供給速度一定の場合であるから、以下に主として供給速度一定の場合について述べる。この鋸歯状波形の振幅（大きさ）は、供給速度や合成速度、あるいは植物栽培規模などに依存して任意に設定することが可能である。
【００３０】
このとき、本発明では、栽培室の壁面上部に外気と流通する小さい開口部（窓または穴）を設けるのが特徴の一つである。一般的に、燃焼炎を継続するため若干の燃焼補給用の大気を補給流通させる必要があるので、栽培室でも雰囲気が滞留せず常時導入および流通するようになされる。そのため好ましくは上流と下流にそれぞれ導入と排出の開口部を設けることが多い。この流通量は上記計画燃焼量に見合うように設定される。
【００３１】
この開口部は栽培室内の栽培平面よりも高い位置になるように設ける。一般に二酸化炭素の比重は大気よりも重いから床面から順次溜まってゆくので、開口部を栽培平面よりも高い位置に設けておけば、濃度は植物に対しては高く保たれるいっぽう、より高い位置にある開口部からの逃亡損失は実質的に少ない。もちろん、損失ガスがあってもそのコストは高圧ボンベ法におけるよりも小さい。
過度な損失は好ましくないし、流通速度は遅くても差し支えないから、開口部（窓、穴）の実効面積は比較的小さくても十分なことが多い。
【００３２】
もし不具合によってガスの燃焼が停止したときには、開口部がないと光合成によって二酸化炭素が消費されてゆくので、遂にはその濃度が零に近くまで低下して植物にダメージを与えたり収量が減少したりする。しかし開口部があると、外界の大気中から二酸化炭素が逆に流入して栽培室室内で若干の二酸化炭素濃度を保つので、植物のダメージを防いで最小限度ながら成長を続けることができる。
【００３３】
また逆に二酸化炭素濃度が過剰に供給ないし蓄積され過ぎると、濃度が高くなりすぎて人体にダメージを与える可能性もあるが、開口部によって過大な蓄積をも防ぐことができる。つまりこの開口部はいかなる場合にも人体に危険な濃度にまで有害ガスが過剰に蓄積しないような安全弁の作用もする。このように、前記開口部は余剰ガスの排出または不足補充（流入）のいずれの方向にも有効な作用をもつ。
【００３４】
このような開口部は濃度に応じて開閉することもできるが、濃度に応じて開閉するのは濃度監視調整機器の余分なコスト上昇を招くので、好ましくは一定の開放部（穴）を設けておくほうが簡単である。この大きさ（流通抵抗）については、栽培室の構造条件に関して、鋸歯状波形を見ながら前記計画燃焼量を実験的に決定できる。
【００３５】
最初に植物工場の運転を計画するとき、新しい状態に対応するＣ１（およびＣ２）の値を設定する必要があるが、植物工場の具体的規模や構造や窓の状態などによって異なるので、実験的に選定することができる。まずＬＰガスなどを燃焼せず単に大気圧の下で栽培運転すれば、二酸化炭素は大気からのみ供給され、濃度は変化せず時間とともに水平に推移する。次にＬＰガスを少量燃焼させて供給すると、上記鋸歯波形が出現して同時に収穫量が増加してゆく。この傾向を見ながら、開口部（窓、穴）を一定程度絞ったりしながら、ＬＰガス燃焼を更に少しずつ増加させてゆきながら栽培を継続する。収穫量が増加し希望所要の値に達したところでＬＰガス燃焼量増加を停止して、安定的運転状態の値を以て新しい制御パラメーター条件として決めればよい。
【００３６】
以上に説明したような鋸歯状波形モデルにおいても、植物の生長量は消費した二酸化炭素の時間的な積分量に比例し、しかも比較的単純な直線的な変動であって、毎日の成長速度は濃度の鋸歯状波の平均値となる。よって毎日の濃度平均値を以て成長の目安とし、制御の基準目安とすることができる。高圧ボンベ方式による従来方式のように濃度を強制的に一定に保った場合には、このような細かな情報を得ることは全く出来ない。
この原理は人工光照明でない（完全制御型でない）一般農業用ハウスでも適用可能である。しかし構造上の漏れが多いし、外部の晴雨寒暖の影響を受けて光合成速度が変動するので、定常的安定的な鋸歯状波を得にくい。そこで好ましくは完全制御型の植物工場に適用される。
【００３７】
次に実施例について述べる。
植物工場自体は養液を循環し、高圧ナトリウムランプの人工光照明による植物工場であって、その具体的な栽培条件は本発明者の特許第４３８００８１号の明細書に準拠して本発明を実施した。栽培養液や高圧ナトリウムランプによる時間タイマー制御による照明手段、また植物栽培パネル（本圃）の構造などは公知例と同様である。二酸化炭素は一般営業用、家庭用などの市販ガス低圧ボンベから供給されたプロパンガスを常時燃焼させ、発生した燃焼ガスを適宜の方法で栽培空間に導く。
【００３８】
本実験では小松菜を栽培した。面積１２ｍ２の実験栽培室内で、別の発芽用の小区画でウレタンブロック粒に種蒔き発芽させた幼苗を別の小苗圃に移植して２週間育苗した後、高圧ナトリウムランプで照明する最終栽培パネル（本圃、パネル全面積４．３ｍ２）上へ株間隔を展開して定植し、２週間後に収穫した。毎平方メートルあたり７８株の栽植密度である。平均気温２６度、平均水温２５度、相対湿度は８０％、養液は園試処方により平均ｐＨは６．６、平均のＥＣは２．５、高圧ナトリウムランプ照明時間（明期時間）は１２時間（暗期時間も１２時間）であった。
【００３９】
実際には栽培パネル面積を２分割して、それぞれにおいて１週間ごとにずらしたサイクルで運転しながら、毎週に播種とその１週間後に苗床への展開し、その１週間後に本圃に定植し、おのおのは２週間栽培後に収穫した。つまり本圃では毎週に半分の面積ごとに交代しながら、収穫とその跡地への定植とが毎週交互におこなわれた。これによって栽培パネル半分の面積ごとに交代しながら、収穫直前の広い葉面積の状態と定植直後の小さな葉の状態とが常に共存するので、栽培全空間を通じて、葉の全面積つまり光合成速度や二酸化炭素吸収速度が、一度に全面的植え替えをするよりも、比較的ほぼ均等化されることになる。こういう交代栽培をすることにより、前記したような直線近似が成立しやすくなる。
【００４０】
はじめに、まず燃焼ガスを使用しないで通常大気中で成長させた場合には、二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ程度で、定植後２週間での収穫重量は株あたり平均して４５ｇないし５０ｇ程度であった。標準偏差は１５ｇ程度であった。次にプロパンガスを適当に小さなガス供給速度を設定して燃焼させた。この場合には燃焼炎を維持できる程度の小さな燃焼速度（ガス消費速度）毎時１．５ｇに保った。その燃焼ガスを導入して栽培した場合には、二酸化炭素濃度の鋸歯状波サイクルでの一日平均１１００ないし１２００ｐｐｍ程度であった。このときには平均１００ｇ程度の株を収穫した（月当たり総重量３３ｋｇ程度）。成長量はほぼ二酸化炭素濃度に比例していた。この場合のＬＰガスのランニングコストは従来の二酸化炭素高圧ボンベ法に比べて１／１０以下なので圧倒的に安い。さらに初期費用、固定費用、労働費用、管理費用等もすべて低下するので総合的に画期的経済化を達成できる。
【００４１】
濃度に対して完全に比例しないのは種々な理由があって、暗期においても実験室立ち入りのためなど完全暗黒ではなかったこと、光合成の直線近似の誤差、また収穫株ごとの標準偏差がやや大きい事から判るように、株が大きくなると隣接する株に対して日陰を作って格差を生じやすくなるからである。
【００４２】
以下では更なる改良案とその効果について述べる。ここまでの記述は、基準として明期と暗期との時間が等しい場合であって、図１の対称波形を説明した。次には更に経営効率を向上することができる次段の改良案、すなわち明期と暗期の時間を変える場合の改良効果について図２により説明する。明期には人工照明の電力コストがかかるから、照明時間を短縮してさらに経済化することが改良の目的である。このような最適条件の達成技術は、高圧ボンベ法などで通常濃度一定で保持する栽培方式では、全くできないことである。
【００４３】
いま明期を基準の１２時間より１時間短縮すると、これは暗期が１時間長くなることに相当し、二酸化炭素濃度蓄積時間（暗期）が長くなるので最高点Ｃ１２は基準の場合よりもやや高い濃度値である。明期はそこからスタートするが、光合成速度が増えるので濃度はより早く降下し、明期終点では元の始点に戻る傾向を持つ。すなわち定常運転の要請であるＣ１＝Ｃ２については、実験によって安定な鋸歯状波形が繰り返し維持されることが確認できた。その濃度経過グラフは２等辺３角形ではなく、非対称に右に傾いた鋸歯状波形の連続となる。これを図２に示す。
【００４４】
図２においては、
Ｃ１２−Ｃ２＝（比例定数）×（光合成速度）×（明期時間長）
となり、光合成積算量（収穫量）あるいは消費した二酸化炭素総量は基準状態と比べて明期時間長に比例して減るが、そればかりでなく暗期に蓄積された二酸化炭素濃度が高くなって光合成速度が速くなる要素もあって両者相殺する方向であり、結局単純な明期時間長比例ほどには減らない。
【００４５】
一方で電力コストは時間比例なので、明期短縮ぶんのコスト節約ができることは明らかである。そこで経営効率を考えると、経営効率（収穫量対生産費、コストパフォーマンス）はむしろ基準状態の１００％よりも向上する。もちろん単純に明期をいくらでも減らせるものではない。極端な場合に明期ゼロならば（電力費も）収穫もゼロとなるので、その中間に経営効率改善の最適値（極大値）が存在する。
【００４６】
これを調べるには、上記の簡単な近似でなく、現実の条件をもっと詳しく考える必要がある。例えば、電力コストについては使用電力量に比例する従量（変動）費用と、これとは関係のない固定費用である基本料金や設備償却費、金利、メンテナンス費用などがあるので、実際の電力費用はゼロにはならない。また光合成量を決める栽培室内の二酸化炭素濃度についても、上記したように、もとの大気中の二酸化炭素濃度などの非変動成分が含まれて一定の固定バイアス（基礎成分）が存在することを考慮せねばならない。
次にそのことを説明する。
【００４７】
総コスト（Ｍ）には電力費のほかにも、電力以外のコストもそれぞれ固定費用と変動費用の成分を含む。これらのすべての費用を合算考慮して、ここでは簡単のために、電力コストをもって総コストの代表とする。これは他の費用は栽培室によって固定費用などの割合に種々の差が生じやすいこと、また特に人工照明を使用する植物工場においては電力コストが圧倒的に大きい割合を占め、常に経済化について最重要の課題となるからである。
【００４８】
光合成による収穫総量（または光合成量、Ｐ）は明期時間長に比例するので、照明時間短縮（ε）とともに低下するが、Ｍと同じ割合で低下する訳ではなく、ＰとＭとはその勾配が異なる。一般にεの小さい領域でＰよりもＭのほうが減少率が急傾斜であり、これが経営効率Ｐ／Ｍには極大値が現れる理由で、好ましい経営効率点とは明期暗期が等しい基準の１２時間ではなく、それよりもやや明期を減らすほうが優れていることは明らかである。
【００４９】
図３と図４とは、実際のパラメーターをもとにして数値計算した結果を示す。横軸は基準状態（明期暗期ともに１２時間、ε＝０）からの明期短縮率（ε）を、縦軸には収穫量（Ｐ）、電力コスト（Ｍ）および経営効率（Ｐ／Ｍ）を示すが、それぞれ基準状態の値を１００％とノーマライズした値として示す。これは短縮率の効果を比較しやすくするためである。他の条件は共通で、図３、図４ともに平均二酸化炭素濃度は１２００ｐｐｍ（うち大気中の二酸化炭素濃度４００ｐｐｍ）である。比較すべき電力コスト中の固定費の割合は図３の場合には１０％、図４の場合には３０％とした。
【００５０】
すなわち図３は流動費用の割合が大きく固定費用のバイアス効果の割合が比較的小さい場合に相当し、図４は固定費用のバイアス効果の割合が大きい場合に相当する。それぞれで極大値の出現状態が異なるが、いずれにしても照明時間の短縮（ε＞０）が経営効率（Ｐ／Ｍ）の向上をもたらす。極大条件（ピーク）において収穫量対電力費が向上する改善率は、関係パラメーターの複雑な関数となるが、基準状態に比して１ないし２割程度が多い。
【００５１】
つまり、図３は比較的大規模栽培の栽培室のように、固定費用などのバイアス効果の寄与が収穫量に比例する流動費用に対して小さい場合の例である。また、図４は、小規模栽培の栽培室のように固定費用のバイアス効果が収穫量に比例する流動費用に対して比較的大きい寄与を占める場合の例であり、大規模栽培の図３よりも効率極大効果は小さくなる傾向をもつ。すなわち栽培室の条件によって極大値出現のための短縮率（ε）は異なり、場合によってそれぞれ評価すべきである。
【００５２】
以上説明したように、コストにはかならず固定経費（バイアス）が含まれるので、経営効率（コストパフォーマンス、ここでは収穫量／電力コスト比）には極大値が伴い、それはεの比較的小さい位置に出現する。しかしε＞０では収穫量（売上）の僅かな減少を伴うから、効率よりも販売収入の最大を目指す経営方針ならば、この経営効率極大条件よりも更にやや小さいεの領域が好ましく、経営方針によって最適な妥協運転条件を選ぶことができる。とくにこの領域では、収穫Ｐの減少を無視できる程度にとどめ、しかも経営効率Ｐ／Ｍの増加のみ顕著な状況を、すなわち収穫量に重点を置きながらもコスト効率も向上する条件のなかで選ぶことができるが、いずれにしても経営方針に従って短縮率がゼロでない条件範囲（ε＞０）のなかで、それぞれの方針に応じて最適値を選ぶべきである。
【００５３】
一般的に明期を夜間に、暗期を昼間に割当てることが多い。これは、照明には発熱が伴うので、気温が低い夜間に明期を、いっぽう気温が高くなる昼間を照明しない暗期に割り当てることが合理的である。すなわち明期短縮とは夜間の照明を短縮することであるが、夜間には別途電力会社の規定が存在することが多い。例えば夜間電力を特に安価に設定する契約に加入すれば電力費を更に経済化できる。すなわち明期を夜間電力割引時間と連動させることで本発明のメリットはさらに向上する。これは本発明理論の明期短縮の一例として直ちに理解でき、定量的に明期暗期配分の最適化を設計することで、さらに明期の短縮による一段の経済効率化ができる。具体的なバイアス値は当該栽培室の規模や電力会社の割引率規定によって異なるから個別に設計すべきであり、ここでは原則を示すにとどめ、詳細は省略する。
【００５４】
前記の実施例において他の条件を変えずに、栽培時の照明時間のみを変更して実験した。照明時間を１時間短縮して１１時間（暗期は１３時間、ε＝０．０８３）としたところ、収穫平均重量は１００ｇ程度、標準偏差３０ｇ程度であって、収穫量減少は誤差バラツキ（標準偏差）より十分小さく、確実な収穫減少とは認められない程度であった。一方で毎月の電力費用は明瞭に減少し、固定費である電力契約基本料金を考慮しても、Ｐ／Ｍは８％程度向上した。こうして場合に依って異なるものの、収穫量はほとんど変わらずにコスト効率は明らかに向上する条件が存在する。これは図３、図４の理論的計算とよく一致している。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、例示した小松菜以外の植物栽培にも利用できる。本発明によって、二酸化炭素施肥の効果を予測計算し、またその経営最適化条件を定量的に設計することができる。
εが小さいときには、収穫総量の減少はほとんど目立たないのに、コスト効率向上は明瞭である。ゆえに明期と暗期とが等しい基準状態ではなく、むしろ明期をやや減少させることで経済的に最適な運転状態を実現できることが本発明の実験で初めて発見されたのである。
【符号の説明】
【００５６】
ｔ・・・・・時間
ε・・・・・明期（１２時間）からの短縮率
Ｃ・・・・・二酸化炭素濃度
Ｍ・・・・・電力コスト
Ｐ・・・・・収穫量
Ｐ／Ｍ・・・収穫量対電力コスト、経営効率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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