(57)【要約】      （修正有）【課題】水素ガスを用いて、植物を養液栽培するに際し、養液栽培における植物の生育促進や品質向上させるとともに、栽培コストを低減する養液栽培装置を提供する。【解決手段】少なくとも、植物を養液栽培するための養液を貯える装置と、この養液に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、この水素ガスを養液に吹き込むための吹き込み装置を備えた植物養液栽培装置を用いて養液を貯える装置内で植物を養液栽培するに際し、植物種子の播種後、本葉が本格的に展開する時期から収穫までの間に当該水素ガスを養液に吹きこむ植物の養液栽培方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、植物を養液栽培するための養液を貯える装置と、この養液に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、この水素ガスを養液に吹き込むための吹き込み装置を備えた植物養液栽培装置を用いて養液を貯える装置内で植物を養液栽培するに際し、植物種子の播種後、本葉が本格的に展開する時期から収穫までの間に当該水素ガスを養液に吹きこむことを特徴とする植物の養液栽培方法。
【請求項２】
養液中における溶存水素濃度を０．１〜１．０ｍｇ／Ｌになるように水素ガスを養液中に吹きこむ請求項1記載の植物の養液栽培方法。
【請求項３】
光源としてＬＥＤを用いる請求項１または２記載の植物の養液栽培方法。
【請求項４】
照射に用いるＬＥＤとして、赤色ＬＥＤの場合は６００〜７００ｎｍの波長域に、青色ＬＥＤの場合は４００〜５００ｎｍの波長域に、それぞれ、中心波長を有するものを用いる請求項３記載の植物の養液栽培方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に広く用いられる水素ガスを用いて簡便な方法で、植物を養液栽培する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、植物の養液栽培は、広く行われるようになり、例えば葉物やトマト、キュウリなどの野菜のほか、イチゴやメロンなどの果物にも適用され、開発が盛んである施設園芸や植物工場においても、主流となる栽培方法である。
このように、施設園芸や植物工場で行われているこれまでの養液栽培では、（１）養液、（２）空気、（３）光などの環境制御操作が重要である。
【０００３】
例えば、（１）養液においては、溶存酸素濃度は、酸素ガスジェネレータやファインバブルなどにより調整され、また養液成分は、ｐＨ調節計やＥＣ（電気伝導度）計測器を用いて調整される。さらに、養液の供給は、流水循環や植物への散布によりもたらされる。
次に、（２）空気に関しては、炭酸ガス供給や燃焼排ガス利用により、二酸化炭素濃度を調整している。また、気温は、エアコン、燃料燃焼による加温、温水循環、あるいはヒートポンプを用いて調整されている。さらに、空気管理における気流は、ハウス内のファンのオンオフにより調整することができる。
次に、（３）光は、人工光を用いたＬＥＤ利用あるいはこの場合の波長の選択制御、また自然光の場合は、ハウスの遮蔽幕の開閉などにより調整されている。
【０００４】
このような養液栽培において、植物へ水素を適用した先行技術が提案されている。
例えば、特許第４６２１８７４号公報（特許文献１）には、「水素ガスを溶存させ２μｇ／Ｌよりも高い水素の濃度の水溶液を植物の根から吸収させ、上記植物体内へ上記水素ガスを取り込ませ上記植物体内の葉緑体を保護しながら栽培する植物の光酸化障害を回避させる方法」が提案されている。
しかしながら、この特許文献は、植物の光酸化障害を回避させる方法であって、植物の生育促進や品質向上を企図した発明ではない。
また、本発明者は、水素ガスを用いて植物を養液栽培する方法を提案しているが（特許文献２）、ここでは、具体的な植物の養液栽培方法を示してはいない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６２１８７４号公報
【特許文献２】特開２０１４−２１２７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、水素ガスそのものを用いて、植物を養液栽培するに際し、その具体的な方法を提起し、これにより、養液栽培における植物の生育促進や品質向上を発現させ、さらに栽培コストを低減させることが可能な養液栽培方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも、植物を養液栽培するための養液を貯える装置と、この養液に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、この水素ガスを養液に吹き込むための吹き込み装置を備えた植物養液栽培装置を用いて養液を貯える装置内で植物を養液栽培するに際し、植物種子の播種後、本葉が本格的に展開する時期から収穫までの間に当該水素ガスを養液に吹きこむことを特徴とする植物の養液栽培方法に関する。
ここで、水素ガスの供給量は、養液中における溶存水素濃度を０．１〜１．０ｍｇ／Ｌになるように水素ガスを養液中に吹きこむことが好ましい。
また、光源としてＬＥＤを用いることが好ましい。
この場合、照射に用いる赤色ＬＥＤの場合は６００〜７００ｎｍの波長域に、青色ＬＥＤの場合は４００〜５００ｎｍ波長域に、それぞれ、中心波長を有することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素ガスそのものを用いて、植物を養液栽培するに際し、植物種子の播種後、一定の期間経過後に養液中に水素ガスを供給することにより、コマツナなどの植物の生育が促進されるとともに、その品質を向上させることができ、さらに栽培コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の植物の養液栽培方法の工程図である。
【図２】本発明の一実施形態で、本実施例に用いられる水素ガスを用いた植物の養液栽培装置の概略図である。
【図３】本実施例のコマツナの養液栽培において、播種後４２日目における葉位とＳＰＡＤ値（葉緑素含量）との結果を示すグラフであり、黒の帯線は水素供給区、白の帯線は水素を供給してない対照区である。
【図４】本実施例のコマツナの養液栽培における播種後の栽培の経過日数と発芽葉位数との結果を示すグラフであり、黒の帯線は水素供給区、白の帯線は水素を供給してない対照区である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜養液栽培装置＞
本発明に用いられる養液栽培装置は、少なくとも、植物を養液栽培するための養液を貯える装置と、この養液に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、この水素ガスを養液に吹き込むための吹き込み装置を備えており、また、本発明の植物養液栽培方法は、この植物養液栽培装置を用い、養液を貯える装置内で植物を養液栽培するものである。
【００１１】
養液を蓄える装置：
本発明に用いられる養液を貯える装置は、養液栽培の形態に応じて適宜選択してよい。
例えば、湛液型養液栽培では、栽培ベッド自体が養液を貯える手段として用いられる。
薄膜養液栽培では、傾斜面に供給するための養液を貯留しているタンク等を用いることができる。
なお、本発明に用いられる養液栽培装置は、通常、一段であるが、例えば上下方向に栽培パネルを２段以上に重ねて構成され、最上段以外の栽培パネル上にも太陽光が一部入り込む構造の多段化養液栽培設備を設置し、上記多段化養液栽培設備の最上段の栽培パネルでは太陽光で対象植物の養液栽培を行ない、該設備の最上段以外の各段の栽培パネルでは太陽光と人工光との併用で対象植物の養液栽培を行なうものであってもよい。
また、一段、多段に限らず、採光は、すべて人工光であってもよい。
【００１２】
人工光の場合、通常、照明装置はＬＥＤ照明装置であり、太陽光がない状態において測定した栽培中の対象植物の最上部における光合成有効光量子束密度（Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｆｌｕｘ  Ｄｅｎｓｉｔｙ：ＰＰＦＤ）は、通常、１００〜３００μｍｏｌｍ−２ｓ−１である。
【００１３】
また、人工光に用いられるＬＥＤの色は、対象植物に適したものを選定すればよい。植物は、細胞の中にクロロフィル（葉緑素）を有し、このクロロフィルの吸収スペクトルは４００〜５００ｎｍおよび６００〜７００ｎｍに鋭い吸収帯を有する。
したがって、照射に用いるＬＥＤとして、赤色ＬＥＤの場合は６００〜７００ｎｍの波長域に、青色ＬＥＤの場合は４００〜５００ｎｍの波長域に、それぞれ、中心波長を有するものが用いられる。
好ましくは、光合成を促進するために、赤色（波長：６５０〜７００ｎｍ）、青色（波長：４３０〜４４０ｎｍ）を含む混合色ＬＥＤが好ましい。具体的には、赤色および青色の発光素子をそれぞれ複数個配列したＬＥＤ照明装置を用いることが好ましい。また、湿気などが多い箇所での使用となることから、防水機能を有するものが好ましい。
【００１４】
ＬＥＤ照明装置は、太陽光がない状態において測定した、栽培パネル上で栽培中の対象植物の最上部におけるＰＰＦＤが１００〜３００μｍｏｌｍ−２ｓ−１となるように設定することが好ましい。ここで、対象植物の最上部とは、照明装置下部の植物の生育にバラつきがある場合には、最大のものの最上部である。ＬＥＤ照明装置は、照射距離が離れるとＰＰＦＤが著しく低下することから、対象植物の実際の葉部分（最上部）でのＰＰＦＤがこの範囲になるように、光量、距離などを適宜設定する。
【００１５】
上記ＰＰＦＤが１００μｍｏｌｍ−２ｓ−１未満であると、十分な生育ができない場合や、生育にバラつきが生じるおそれがある。一方、３００μｍｏｌｍ−２ｓ−１をこえても成長はほぼ頭打ちとなり、電気使用量も増える。最上段以外の栽培パネル上では、上記ＰＰＦＤ範囲を満たすような条件でＬＥＤ照明装置による照射を行なうことで、差し込む太陽光と合わせて、葉物野菜などの対象植物において、葉数、葉面積、比葉面積、全体形状などの面で十分な生育が可能になる。
【００１６】
水素ガス供給装置：
水素ガスの製造方法は、数種類あるが、最も知られている方法は、水の電気分解である。この方法は、古くより工業的に製造する方法としても使われている。すなわち、普通の水を電気分解すると、陽極側（＋：プラス極）から酸素ガスが発生し、陰極側（−：マイナス極）より水素ガスが発生する。水でなく食塩水を分解すると、水素と塩素と苛性ソーダ（水酸化ナトリウム：NaOH）ができる。ただし、水の電気分解には大量の電力を必要とすることや、純度が高いものの割高なため工業的には水蒸気改質法などが利用されている。
例えば、重い油に水素ガスを吹き込むと、重い油が分解して軽質油に変化する。これと同じように、軽質油に水蒸気を吹き込むと、油が分解して水素ガスができる。メタンガスのような炭化水素のガスに水蒸気を吹き込んでも同じように水素ガスを得ることができる。メタンガスの場合、水素と一酸化炭素、水素と炭酸ガスに分解する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ+３Ｈ２
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２+４Ｈ２
本発明に用いられる水素ガスは、コスト面より、このような炭化水素類の水蒸気改質によって得られるものが好ましい。
かかる水素ガスの供給装置としては、例えば水素ボンベ、水素ガス製造装置などが挙げられる。
この水素ガス供給装置は、例えば図示しない配管によって、植物の養液栽培装置内に設置された水素ガス吹き込み装置（散気管）と連結している。
【００１７】
水素ガス吹き込み装置：
水素ガス吹き込み装置としては、特に限定されない。例えば、多数個の微細な通気孔が穿孔された散気管（ディフューザ）を、養液栽培装置の容器の底部に配置し、該管を通して水素ガスを供給し、通気孔から微細な気泡として養液中に散気する方法、養液を循環させるポンプ等を利用して水素ガスを巻き込む方法が挙げられる。なお、散気管は通気孔が穿孔されたものであれば特に制限されないが、微細な気泡を散気できるという観点から、通気孔の形成された円筒状の通気管と、この通気管の外周面に沿って、焼結金属、アルミナ、セラミックスなどの粒子を集積形成させた多孔体とから構成されるものが好ましい
【００１８】
養液中の溶存水素濃度は、通常、好ましくは０．１〜１．０ｍｇ／Ｌ、さらに好ましくは０．２〜０．５ｍｇ／Ｌである。０．１ｍｇ／Ｌ未満では、水素供給の効果が少なく、植物の生育や品質において、水素を供給しないものとの差が少なく、一方１．０ｍｇ／Ｌを超えても、効果の程度に変わりがなくなり、水素ガスが無駄になることがある。水素ガスの供給量は、例えば流量調節弁などで容易にコントロールすることができる。また、養液中の溶存水素濃度も、溶存水素濃度計および水素ガス流量指示調整器により容易に調整することができる。
本発明において、水素ガスを供給する手段は、特に限定されない。一番手短な例は、水素ガスボンベであり、そのほか、水素ガス製造装置から供給する手段であってもよい。
【００１９】
なお、本発明に用いられる養液栽培装置には、ろ過装置、水温計および水温調節器、ｐＨ測定器、電気伝導度計測器、照明装置、ポンプ、配管などの養液栽培のために従来から使われている器具および装置がさらに含まれていてもよい。
【００２０】
＜植物の養液栽培方法＞
本発明では、以上のような、少なくとも、植物を養液栽培するための養液を貯える装置と、この養液に水素ガスを供給する水素ガス供給装置と、この水素ガスを養液に吹き込むための吹き込み装置を備えた植物養液栽培装置を用い、養液を貯える装置内で植物を養液栽培するものである。
【００２１】
本発明に用いられる養液は、従来の養液栽培に用いられる養液の中から、栽培される植物に応じて適宜選択すればよい。養液には、原料水と、必要に応じて植物の栄養素になる有機肥料や無機肥料などが含まれている。さらに、養液には、殺菌剤、殺虫剤、発根剤などが必要に応じて含まれていてもよい。養液に用いる原料水は、植物の生育を害しないものであれば、特に制限されない。なお、本発明においては、養液中の原料水以外の成分は、水素ガスを吹き込んだ後に、添加してもよい。
【００２２】
なお、本発明に用いられる養液を貯える装置は、養液栽培の形態に応じて適宜選択してもよい。例えば、湛液型養液栽培では、栽培ベッド自身が養液を貯える手段として用いられる。薄膜養液栽培では、傾斜面に供給するための養液を貯留しているタンク等を用いることができる。
【００２３】
本発明の養液栽培装置では、植物の種類に応じて、土以外の固形培地を備えていてもよい。固形培地としては、ロックウール、バーミキュライトなどの礫、砂などが挙げられる。
さらに、本発明の養液栽培装置には、上記のように、照明装置、水温計および水温調節器、ｐＨ測定器、寒暖計、湿度計、ポンプ、配管、防霜ファン、温室、ろ過装置などの養液栽培に従来から用いられている器具または装置を設けることができる。
【００２４】
本発明の養液栽培方法に適用可能な植物は、特に限定されない。例えば、レタス、ルバーブ、水菜、ハーブ、大根菜、わさび菜、べんり菜、青梗菜、パクチョイ、キャベツ、アブラナ、春菊、空芯菜、コマツナ、白菜、セルタス、ターサイ、ミツバ、野沢菜、ほうれん草、ネギなどの葉菜類、唐辛子、パプリカ、メロン、ゴーヤ、スイカ、カボチャ、ブルーベリー、イチゴ、ナス、トマト、ブドウなどの果菜類、ブロッコリー、カリフラワー、フキノトウなどの花菜類、モヤシ、枝豆などの豆類、バラなどの花卉類、稲、麦などの穀類、レンコンなどの根菜類、ヒヤシンス、クロカッス、チューリップなどの球根類が挙げられる。
【００２５】
本発明の養液栽培方法では、上記植物の根を、養液に接触させつつ、当該養液に水素ガスを吹き込み、植物を育成する。液を根に接触させる方法としては、例えば、根を液に浸漬する方法、根に液を噴霧する方法、固体培地表面や傾斜面に根を張らせ、そこに液を流す方法、ロックウール(岩綿)などの固形培地の毛細管現象を利用して液を根回りに供給する方法などがある。
【００２６】
本発明の植物の養液栽培方法では、養液中への水素ガスの供給時期は、播種後、本葉が盛んに光合成を行い本格的に展開する時期（例えば、コマツナの場合、播種後１５日目くらい）から収穫までに行うことを特徴とする。
播種後、０日から本葉が本格的に展開する時期（例えば、コマツナの場合、播種後１５日目くらい）未満までに水素を供給すると、子葉や本葉の発芽の遅延などの現象が発現して、植物の生育が促進されない場合がある。
なお、収穫時期は、植物の種類により異なり、コマツナでは播種後３０〜４０日くらい、ホウレン草の場合は、播種後５０〜６０日くらいであり、植物の種類によって異なる。
【００２７】
この際、養液中における溶存水素濃度は、上述のように、通常、好ましくは０．１〜１．０ｍｇ／Ｌ、さらに好ましくは０．２〜０．５ｍｇ／Ｌである。
【００２８】
以下、本発明の植物の養液栽培方法を工程図を用いて説明する。
図１は、本発明の植物の養液栽培方法の一例を示す工程図である。
養液成分は、溶液タンクに連続的あるいはバッチで供給され、栽培棚（ここでは二段）の一方の端部から供給されて他端より排出されて養液タンクに戻るように循環している。
制御装置では、養液中のｐＨ、電気伝導度、溶存水素濃度、経過時間などが計測されて、溶液成分の供給量、水素発生供給装置などにフィードバックされるようになっている。そして、制御装置の信号に基づいて、水素発生供給装置から水素が養液管中に供給されるようなっている。
図１では、照明装置（人工光）は図示されていないが、通常、栽培棚の各上部に、ＬＥＤの照明装置が付設されている。
ここでは、栽培棚にあらかじめ播種されたコマツナなどに養液タンクより養液が供給されており、播種後、一定期間経過後、すなわち播種後、本葉が本格的に展開する時期から、水素発生供給装置より、系に水素が供給されるようになっている。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１（コマツナの養液栽培）
１．実験方法
コマツナの養液栽培を、比較対象として、養液中へ水素ガスを供給した水素供給区と供給しない対照区を設定し、それぞれにおけるコマツナの生育状態や葉緑素含量などについて比較した。養液栽培は、代表的な養液とされる「園試処方均衡培養液」を使用し、半止水式（４０日の間にに４回程度、養液を交換）とし、２４時間日長（１日２４時間連続照明）で行った。
水素供給区には、溶存酸素濃度が０．１〜０．５ｍｇ／Ｌになるように、水素ガスをボンベからマスフローコントローラで流量調節して供給し、本葉が本格的に展開し始める播種から１５日目から水素供給を開始した。
【００３０】
２．装置
図２に実施例に用いられる実験装置の概略図を示す。
容器：１１リットルのステンレスバット（ヨコ１３ｃｍ×奥行３１ｃｍ×高さ１０ｃｍ）
水素供給：水素ガスボンベ／マスフローコントローラ／ディフューザ（焼結金属;SUS製）
【００３１】
３．結果
水素供給区の養液中の平均溶存濃度は、０．２５ｍｇ／Ｌであった。
本実験の結果を図３に示す。図３は、播種後、４２日目（収穫期）における、葉位とＳＰＡＤ値との関係を示している。これによれば、第３〜第７葉のＳＰＡＤ値（葉緑素含量）の比較は、各葉位で水素供給区が上回り、その差異は第５葉を除いて有意または有意傾向であった。
なお、図３における各葉位におけるＳＰＡＤ値は、ｎ＝６の平均値である。
また、本実験において、播種後の経過日数と発芽葉位数の関係を図４に示す。
図４によれば、播種後２５日目くらいでは、水素供給区と対照区との間で顕著な有意差はでていないが、播種後３１日目以降では、水素供給区の方が対照区に比べて明らかに発芽葉位数が多く優勢であることが分かる。
なお、図４における各経過日数における発芽葉位数は、ｎ＝６の平均値である。
以上の本実験から、水素を養液に供給する養液栽培において、適量の溶存水素は、コマツナの生育に好影響を与え、ＳＰＡＤ値（葉緑素含量）の増加に支援的であることが分かった。
ここで、ＳＰＡＤ値は、葉緑素含量を示す値であり、光学濃度差測定方式の葉緑素計（ＳPAD-502;コニカミノルタ社製）で測定した。
【００３２】
比較例１
実施例１に準じて、コマツナを播種後、実施例１と同様にして、０日目頃から、水素供給区に水素を同量供給したところ、播種後、本葉が本格的に展開する時期の１５日目までにおける生育は、水素供給区の方が対照区に比べて肉眼的に明らかに劣っていた。その後、１５日目以降は、水素供給区の生育が好転したものの、０〜１５日目までの水素供給による劣勢が影響し、３５日目の収穫時においては、対照区の生育が肉眼的に明らかに優勢だった。
このことから、水素供給開始時期は、本葉が本格的に展開する時期以降でないと、本発明の効果が得られないことが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、養液栽培を適用している施設園芸や植物工場などの施設や業界に利用することができる。
本発明は、屋内に限らず、屋外の施設のほか、水稲などの田園でも利用可能である。
また、本発明によれば、（１）農業（一次産業）分野（生産農家や農業法人）、施設園芸（野菜類：例えばミツバ、コマツナ、レタス、ナス科植物など、果物類：例えば、メロン、イチゴなど）のほか、（２）農商工業（二次、三次、六次産業）分野、さらに（３）植物工場やアクアポニクスのほか、（４）水族館、植物園などの分野にも利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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