JP6378872B2

JP6378872B2 - 二酸化炭素施用制御装置、二酸化炭素施用装置、二酸化炭素施用方法およびプログラム

Info

Publication number: JP6378872B2
Application number: JP2013244893A
Authority: JP
Inventors: 亜由子渡邉
Original assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: JP2018134104A; JP6506444B2; JP2014128263A

Description

本発明は、作物を栽培する温室における二酸化炭素（ＣＯ₂）施用技術に関する。

作物を栽培する温室において二酸化炭素施用をする技術が知られている。特許文献１は、温室の換気窓が開いているときの二酸化炭素の温室外への流出を防止するため、温室外に二酸化炭素濃度センサーを設け、換気窓が開いているときの温室内の二酸化炭素濃度を、大気の二酸化炭素濃度と等しくなるように制御する技術を開示している（要約書参照）。

日本にも、温室に二酸化炭素施用システムを導入している生産者（農家）がある。しかし、日本の特に生産現場においては、温度管理が最も重視されている。したがって、温度管理が優先された結果、温室内の温度が上昇し換気が始まる前までの時間（まだ日射量の少ない早朝の時間帯に２〜３時間）に、二酸化炭素を施用する施用方法が広く普及していた。

特開２００５−６５６０２号公報

特許文献１に記載の技術においては、温室の内および外にそれぞれ、合計２個の二酸化炭素濃度センサーを設ける必要があり、高コストになってしまうという問題があった。
これに対し本発明は、より低コストで、より効率的な二酸化炭素施用を行う技術を提供する。

本発明は、二酸化炭素濃度の第１設定値を記憶する第１記憶手段と、前記第１設定値より低濃度であり、かつ４００ｐｐｍ以上である第２設定値を記憶する第２記憶手段と、開閉する窓を有する温室における当該窓の開閉状態を示す信号が当該窓が閉じていることを示している場合には前記第１設定値を濃度設定値とし、前記信号が前記窓が開いていることを示している場合には前記第２設定値を濃度設定値として、前記温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を制御する制御手段とを有する二酸化炭素施用制御装置を提供する。

前記第２設定値は、４００ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であってもよい。

前記第１設定値は、６００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下であってもよい。

前記第１設定値は、６００ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下であってもよい。

この二酸化炭素施用制御装置は、時刻を計測する計時手段を有し、前記制御手段は、前記計時手段により計測される時刻があらかじめ決められた範囲にない場合には、前記二酸化炭素供給手段から二酸化炭素を供給させなくてもよい。

また、本発明は、設定温度に応じて開閉する窓を有する温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、二酸化炭素濃度の第１設定値を記憶する第１記憶手段と、前記第１設定値より低濃度であり、かつ４００ｐｐｍ以上である第２設定値を記憶する第２記憶手段と、設定温度に応じて開閉する窓を有する温室における当該窓の開閉状態を検知する検知手段から出力される信号が前記窓が閉じていることを示している場合には前記第１設定値を濃度設定値とし、前記信号が前記窓が開いていることを示している場合には前記第２設定値を濃度設定値として、前記温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を制御する制御手段とを有する二酸化炭素施用装置を提供する。

さらに、本発明は、設定温度に応じて開閉する窓を有する温室および当該温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を有する二酸化炭素施用システムにおける二酸化炭素の施用方法であって、前記窓の開閉状態を検知するステップと、前記窓が閉じていることが検知された場合には、第１設定値を濃度設定値として前記二酸化炭素供給手段を制御するステップと、前記窓が開いていることが検知された場合には、前記第１設定値より低濃度であり、かつ４００ｐｐｍ以上である第２設定値を濃度設定値として前記二酸化炭素供給手段を制御するステップとを有する二酸化炭素施用方法を提供する。

前記第１設定値および前記第２設定値の少なくとも一方は、ファーカーの光合成モデルに基づいて決定されてもよい。

前記設定温度は、ファーカーの光合成モデルに基づいて決定されてもよい。

さらに、本発明は、制御手段および記憶手段を有するコンピュータに、前記記憶手段が、二酸化炭素濃度の第１設定値を記憶するステップと、前記記憶手段が、前記第１設定値より低濃度であり、かつ４００ｐｐｍ以上である第２設定値を記憶するステップと、前記制御手段が、設定温度に応じて開閉する窓を有する温室における当該窓の開閉状態を検知するステップと、前記窓が閉じていることが検知された場合には、前記制御手段が、第１設定値を濃度設定値として前記二酸化炭素供給手段を制御するステップと、前記窓が開いていることが検知された場合には、前記制御手段が、前記第１設定値より低濃度であり、かつ４００ｐｐｍ以上である第２設定値を濃度設定値として前記二酸化炭素供給手段を制御するステップとを実行させるためのプログラムを提供する。

本発明によれば、より低コストで、より効率的な二酸化炭素施用を行うことができる。

一実施形態に係る二酸化炭素施用システム１０００の機能構成を示す図。二酸化炭素施用装置２のハードウェア構成を示す図。二酸化炭素制御装置２５０の動作を示すフローチャート。開閉状態および二酸化炭素濃度と制御信号との関係を示す図。一実施例に係る光合成速度のシミュレーション条件を例示する図。一実施例に係る光合成速度のシミュレーション条件を例示する図。一実施例に係る光合成速度のシミュレーション結果を例示する図。光合成モデルのパラメーター算出に用いた係数を例示する図。光合成適温の温度依存性を示す。施用区および対照区で栽培した作物の写真を示す。光合成速度の二酸化炭素濃度依存性を示す。

１．構成
図１は、一実施形態に係る二酸化炭素施用システム１０００の機能構成を示す図である。二酸化炭素施用システム１０００は、温室１と、二酸化炭素施用装置２とを有する。二酸化炭素施用は、温室１内で栽培される植物の光合成を促進する（具体的にはRubiscoのカルボキシレーション反応を促進する）目的で行われる。温室１は、作物を栽培するための温室であり、開閉式の窓１１と、温度センサー１２と、開閉検知手段１３とを有する。温度センサー１２は、温室１内の温度（以下、「室温」という）を測定するセンサーである。窓１１は、室温および設定温度に応じて自動的に開閉する窓である。窓１１が開いていると、温室１内の空気と外気との換気が促進される。窓１１が閉じていると、換気は抑制される。窓１１は、室温が設定温度よりも高くなると開き、室温が設定温度よりも低くなると閉じる。開閉検知手段１３は、窓１１の開閉状態（開いているか閉じているか）を検知し、検知した結果を示す信号（以下、「開閉状態信号」という）を出力する。なお開閉検知手段１３としては、磁気センサー式のもの、機械式のものなど、どのようなものが用いられてもよい。

二酸化炭素施用装置２は、温室１において二酸化炭素を施用するための装置である。二酸化炭素施用装置２は、二酸化炭素供給手段２１と、記憶手段２２と、濃度測定手段２３と、制御手段２４と、計時手段２５とを有する。二酸化炭素供給手段２１は、温室１内に二酸化炭素を供給する。記憶手段２２は、二酸化炭素を施用する際の二酸化炭素の濃度設定値に関するパラメーターを記憶する。この例で、記憶手段２２は、それぞれ異なる２つの濃度設定値（以下、「第１設定値」および「第２設定値」という。第２設定値は第１設定値よりも低い）に関するパラメーターを記憶する。この例で、濃度設定値に関するパラメーターは、二酸化炭素濃度の上限値および下限値を特定するための情報を含んでいる。濃度測定手段２３は、温室１内の二酸化炭素濃度を測定する。制御手段２４は、記憶手段２２に記憶されているパラメーターおよび濃度測定手段２３により測定された二酸化炭素濃度に基づいて、二酸化炭素供給手段２１を制御する。この例で、制御手段２４は、開閉状態信号が窓１１が閉じていることを示している場合には第１設定値を濃度設定値とする。一方、開閉状態信号が窓１１が開いていることを示している場合には第２設定値を濃度設定値とする。計時手段２５は、現在時刻を計測する。

図２は、二酸化炭素施用装置２のハードウェア構成を示す図である。二酸化炭素施用装置２は、二酸化炭素発生装置２００と、二酸化炭素濃度センサー２３０と、二酸化炭素制御装置２５０と、ファン２６０と、ダクト２７０とを有する。二酸化炭素発生装置２００は、灯油燃焼式の二酸化炭素発生装置である。二酸化炭素発生装置２００は、外部からの制御信号に従って、着火（オン）および消火（オフ）を行う。二酸化炭素濃度センサー２３０は、二酸化炭素の濃度を測定し、測定した結果を示す信号（以下、二酸化炭素濃度信号という）を出力する。二酸化炭素濃度センサー２３０は、温室１内において、栽培される作物Ｐの近傍に設置されている。

二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００を制御する装置であり、例えばプログラムリレーを有する。プログラムリレーは、プロセッサーと、メモリーと、タイマーとを有する。この例で、二酸化炭素制御装置２５０は、開閉状態信号および二酸化炭素濃度信号に基づいて、二酸化炭素発生装置２００を制御するための信号を出力する。二酸化炭素制御装置２５０のメモリーは、濃度設定値に関するパラメーターとして、第１設定値および第２設定値の２つの濃度設定値と、濃度幅とを記憶している。二酸化炭素制御装置２５０は、開閉状態信号が窓１１が閉じていることを示している場合には第１設定値を用い、開閉状態信号が窓１１が開いていることを示している場合には第２設定値を用いる。二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素濃度信号により示される二酸化炭素濃度が上限値を上回っているときは二酸化炭素発生装置２００をオフさせるための信号を出力し、二酸化炭素濃度が下限値を下回っているときは二酸化炭素発生装置２００をオンさせるための信号を出力する。また、プログラムリレーは、タイマーを用いて、特定の時間帯にのみ二酸化炭素発生装置２００をオンさせるための信号を出力することができる。この場合、二酸化炭素制御装置２５０のメモリーは、施用時間帯を特定するパラメーター（施用開始時刻および施用終了時刻）を記憶している。

二酸化炭素制御装置２５０は、濃度設定値に関するパラメーターを入力または変更するためのユーザーインターフェース（例えば表示装置およびキーパッド）を有している。ユーザーは、このインターフェースを介して、濃度設定値に関するパラメーターを入力または変更することができる。

ファン２６０およびダクト２７０は、二酸化炭素発生装置２００により発生された二酸化炭素を栽培される作物の近傍に届けるための機構である。この例で、ファン２６０は二酸化炭素発生装置２００と連動しており、二酸化炭素発生装置２００が二酸化炭素を発生しているときにのみファンが回る。

二酸化炭素発生装置２００は、二酸化炭素供給手段２１の一例である。二酸化炭素濃度センサー２３０は、濃度測定手段２３の一例である。二酸化炭素制御装置２５０は、記憶手段２２、制御手段２４、および計時手段２５の一例である。

２．動作
図３は、二酸化炭素制御装置２５０の動作を示すフローチャートである。図３のフローは、例えば、二酸化炭素制御装置２５０の電源が投入されたことを契機として開始される。ステップＳ１００において、二酸化炭素制御装置２５０は、現在時刻があらかじめ決められた施用時間帯に入っているか判断する。現在時刻が施用時間帯に入っていると判断された場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、二酸化炭素制御装置２５０は、処理をステップＳ１０１に移行する。現在時刻が施用時間帯に入っていないと判断された場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオフさせる信号を出力する（ステップＳ１０６）。

ステップＳ１０１において、二酸化炭素制御装置２５０は、開閉状態を取得する。開閉状態は、開閉状態信号により示される。ステップＳ１０２において、二酸化炭素制御装置２５０は、窓１１が閉じているか判断する。窓１１が閉じていると判断された場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、二酸化炭素制御装置２５０は、第１設定値を濃度設定値として用いることを決定する（ステップＳ１０３）。窓１１が開いていると判断された場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、二酸化炭素制御装置２５０は、第２設定値を濃度設定値として用いることを決定する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０５において、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素濃度信号により示される二酸化炭素濃度Ｐｈが濃度の上限値を超えているか判断する。二酸化炭素濃度Ｐｈが濃度の上限値を超えていると判断された場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオフさせる信号を出力する（ステップＳ１０６）。二酸化炭素濃度Ｐｈが濃度の上限値を超えていないと判断された場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、二酸化炭素制御装置２５０は、処理をステップＳ１０７に移行する。

ステップＳ１０７において、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素濃度信号により示される二酸化炭素濃度Ｐｈが濃度の下限値を下回っているか判断する。二酸化炭素濃度Ｐｈが濃度の下限値を下回っていると判断された場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオンさせる信号を出力する（ステップＳ１０８）。二酸化炭素濃度Ｐｈが濃度の下限値を下回っていないと判断された場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００の状態を維持する（ステップＳ１０９）。すなわち、二酸化炭素制御装置２５０は、それまで二酸化炭素発生装置２００をオンさせる信号が出力されていた場合は引き続き二酸化炭素発生装置２００をオンさせる信号を出力し、それまで二酸化炭素発生装置２００をオフさせる信号が出力されていた場合は引き続き二酸化炭素発生装置２００をオフさせる信号を出力する。なお、図３のフローは、所定のタイミング（例えば定期的に）で繰り返
し実行される。

図４は、開閉状態信号および二酸化炭素濃度信号と、二酸化炭素制御装置２５０から出力される制御信号との関係を示す図である。この例では、濃度の上限値として濃度設定値が、下限値として、濃度設定値から濃度幅ΔＰを減じた値が用いられる。開閉状態信号が窓１１が閉じていることを示している場合において、二酸化炭素濃度信号により示される二酸化炭素濃度Ｐｈが、Ｐｈ＞Ｐｔｈ１を満たしているときは、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオフさせる制御信号を出力する。なお、Ｐｔｈ１は第１設定値を示す。開閉状態信号が窓１１が閉じていることを示している場合において、二酸化炭素濃度Ｐｈが、Ｐｈ＜（Ｐｔｈ１−ΔＰ）を満たしているときは、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオンさせる制御信号を出力する。開閉状態信号が窓１１が開いていることを示している場合において、二酸化炭素濃度信号により示される二酸化炭素濃度Ｐｈが、Ｐｈ＞Ｐｔｈ２を満たしているときは、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオフさせる制御信号を出力する。なお、Ｐｔｈ２は第２設定値を示す。開閉状態信号が窓１１が開いていることを示している場合において、二酸化炭素濃度Ｐｈが、Ｐｈ＜（Ｐｔｈ２−ΔＰ）を満たしているときは、二酸化炭素制御装置２５０は、二酸化炭素発生装置２００をオンさせる制御信号を出力する。なお、第１設定値に対する濃度幅と第２設定値に対する濃度幅は、それぞれ異なっていてもよい。

３．実施例
３−１．シミュレーション
次に、本発明の適用例を説明する。まず、シミュレーションによる光合成速度の推定結果を説明する。図５および図６は、シミュレーションの条件を示す図である。図７は、一実施例における光合成速度のシミュレーション結果を例示する図である。シミュレーションは以下の条件で行った。なお、以下の比較例は、現在、二酸化炭素施用を行っている生産者で広く採用されている施用方法（以下、「慣行施用」という）に相当する。この例では、午前９時ごろから温室内の温度が上昇して窓が開く可能性があるため、タイマー制御で午前６時から２時間のみ施用している。
光合成モデル：改良されたファーカー（Farquhar）のモデル
作物：トルコギキョウ（Eustoma grandiflorum (Raf.) Shinn）
温室内温度：あるトルコギキョウ栽培温室における２０１２年１月１３日の実測値に基づく（図５）
日射：同上（図５）
温室内二酸化炭素濃度：同上（図６）
窓開閉温度：２５℃
（実施例）
Ｐｔｈ１：１０００ｐｐｍ
Ｐｔｈ２：４００ｐｐｍ
施用時間帯：午前８時から午後４時まで
（比較例）
二酸化炭素施用は午前６時から２時間のみ行う
施用時の二酸化炭素濃度は１０００ｐｐｍ

本実施例で用いた光合成モデルについて補足する。ここで用いた光合成モデルは、ファーカーらによって提唱された光合成モデル（Farquhar GD, von Caemmerer S, Berry JA. 1980. A biochmical model of photosynthesis CO₂ assimilation in leaves of C3 species. Planta 149: 78-90）を改良したもの（Sharkey TD 1985 Photosynthesis in inmtact leaves of C3 plants, Phisics, phisiology and rate limitations. Botanical Review 51: 53-105）である。以下、この改良されたファーカーのモデルを単にファーカーモデルという。

ファーカーモデルにおいて、光合成速度Ａは次式（１）で表される。
ここで、ＡｖはRubiscoカルボキシレーション反応が律速のときの光合成速度であり、次
式（２）で表される。
Ａｊは電子伝達律速のときの光合成速度であり、次式（３）で表される。
Ａｐはリン酸律速のときの光合成速度であり、次式（４）で表される。
また、Ｒは呼吸である。

式（２）から（４）における各パラメーターの意味や算出方法については、キムらの論文（Kim SH, Lieth JH. 2003. A coupled model of photosynthesis, stomatal conductance and transpiration for a rose leaf (Rosa hybrida L.).）に記載されている。一部のパラメーターについては、他の文献、例えばデ・ピューリーらの論文（de Pury DGG, Farquuhar GD, 1997. Simple scaling of photosynthesis from leaves to canopies without the errors of big-leaf models. Plant, Cell and Environment 20: 537-557）に記載された値を用いた。

本件の発明者は、トルコギキョウおよびバラの光合成特性の温度依存性について研究し、種々の温度条件における光合成速度の実測値から、Rubscoカルボキシレーション反応の最大速度Ｖｃｍａｘ、電子伝達の最大速度Ｊｍａｘ、呼吸速度Ｒｄ、大気二酸化炭素濃度を葉内二酸化炭素濃度に変換するための定数（-1/k/RH）、およびリン酸利用速度Ｐｕについて、その温度依存性を明らかにした。なおこの例では、大気二酸化炭素分圧Ｃａと葉内二酸化炭素分圧Ｃｉの変換式として、Ｃｉ＝（１−１／ｋ／ＲＨ）Ｃａを用いた。本件の発明者は、これらのパラメーターの温度依存性を最大４次の多項式で近似し、これらの多項式で算出されたパラメーターを用いて計算された光合成速度が実測値とよく一致することを明らかにした。一例として、トルコギキョウにおけるこれらのパラメーターの温度依存性を示す係数の値を図８に示す。なおこの例では、Ｖｃｍａｘ、Ｊｍａｘ、Ｒｄ、および-1/k/RHについては多項式近似を、Ｐｕについては指数関数近似を用いた。係数ａｉは、第ｉ次の項の係数を示す。

ファーカーモデルのパラメーターはこれに限定されない。ファーカーモデルと別のモデルを組み合わせてもよい。また、パラメーターの温度依存性は、上記で説明した多項式を用いるものに限定されない。いわゆるアレニウス式や、アレニウス式を改良したものが用いられてもよい。また、ファーカーモデルのパラメーターが知られていない作物については、パラメーターが知られている作物の値を代用してもよい。

再び図７を参照する。シミュレーションの結果、実施例は、比較例と比較して１６％、１日の積算光合成量が増加していた。このように、実施例によれば、慣行施用法と比較してより効果的に二酸化炭素施用が行われることがわかる。

なお、生産現場において広く用いられている慣行施用は、早朝（例えば午前６時から午前８時まで）のみ二酸化炭素施用を行い、その他の時間帯は二酸化炭素施用を行わないというものであった。このような施用法は複数の文献に記載されている。例えば、大須賀隆司，２００３,二酸化炭素制御,ｐ.１７０−１７７,日本施設園芸協会編,五訂版施設園芸ハンドブック,日本施設園芸協会,日本、には、キュウリの栽培で日の出３０分後から換気を開始するまでの２〜３時間、二酸化炭素施用を行うことが記載されている。また、農山漁村文化協会編,農業技術大系花卉編３,環境要素とその制御,二酸化炭素の制御,ｐ.５３６には、カーネーションの栽培で、日の出前３０分から２〜３時間、二酸化炭素施用を行うことが記載されている。さらに、農山漁村文化協会編,農業技術大系花卉編３,環境要素とその制御,二酸化炭素の制御,ｐ.５２７には、多日照地域において、晴天日の昼間は二酸化炭素施用を停止し、曇天日に二酸化炭素施用を行うことが記載されている。さらに、農山漁村文化協会編,農業技術大系花卉編３,環境要素とその制御,二酸化炭素の制御,ｐ.５２３には、地域による二酸化炭素施用効果の差として、二酸化炭素施用には適地があり、日照の多い地域は施設園芸に適しているものの、二酸化炭素施用には不適であることが記載されている。しかし、本発明によれば、日照の多い地域でも二酸化炭素施用が可能である。なお、この文献の同ページの第３図には、日照の多い静岡が二酸化炭素施用に不適であると記載されているが、後述するように本発明は静岡における栽培でも効果がある。

これに対し本件の発明者は、二酸化炭素施用は弱光下ではなくむしろ強光下でその効果を発揮するという着想の下、強光下で二酸化炭素施用を行うための手法を考えた。まず第１には、換気窓が開いているときにも二酸化炭素施用を行うことである。ただし換気窓が開いているときに二酸化炭素を高濃度にしすぎると無駄であるので、換気窓が閉じているときは高濃度で、換気窓が開いているときは低濃度でという二段階の二酸化炭素施用を行う。第２に、高濃度で二酸化炭素施用を行う時間をなるべく長くするために、換気窓が開く温度を従来よりも高めに設定する。光合成速度は温度に依存しており、光合成速度が最大になる温度（光合成適温）が存在する。光合成適温は、強光条件下では二酸化炭素濃度が高くなると高温側にシフトすることが知られている（例えば図９参照）。つまり、高二酸化炭素濃度条件下では、光合成の観点からは換気窓が開く温度を従来よりも高く設定することができる。一方で、換気窓を開ける温度を高くしすぎると作物の品質に影響を与える場合があり、換気窓が開く温度はこれらの事情を総合的に考慮して決定する。

なお図７の例では、実施例および比較例のいずれも窓開閉温度は２５℃であるが、上記の考え方によれば実施例の窓開閉温度をより高温に設定することができる。その場合、光合成速度がより増加することが期待されるので、実施例と比較例との光合成量の差は、図７で説明した１６％増加よりもさらに向上することが期待される。このように、本発明によれば、比較例と比較してより効果的な二酸化炭素施用を行うことができる。

３−２.圃場での実証試験
次に、以下の条件で圃場における実証実験を行った。
（試験条件）
圃場：静岡県内の二連棟の温室×２棟
圃場の広さ：１棟あたり約７００ｍ²
品種：トルコギキョウ（ピッコローサスノー）
定植本数：約１３００本
定植時期：２０１２年１０月中旬
出荷：２０１３年２月〜３月

上記の条件の下、温室のうち１棟を施用区（実施例）とし、１棟を対照区（比較例）として栽培を行った。施用区では二酸化炭素施用を行い、対照区では二酸化炭素施用を行わなかった。より詳細な施用条件は以下のとおりである。
（施用区）
二酸化炭素施用時間：８：００−１５：００
二酸化炭素施用開始：１２月
換気温度：３０℃
二酸化炭素濃度：４３０ｐｐｍ（窓開時）／８００ｐｐｍ（窓閉時）
（対照区）
二酸化炭素施用：無し
上記以外は施用区と同一条件

図１０は、施用区および対照区で栽培した作物の写真を示す。右が施用区、左が対照区で栽培した作物である。施用区で栽培した作物の方が花蕾が多く、また開花が進んでいることがわかる。以下、より定量的なデータを使ってこの点を説明する。

表１は、施用区および対照区における出荷率を示す。定植した株のうち一部は花が咲かなかったり草丈が足りなかったりして市場に出荷できる品質に満たない。表１は、定植した株のうち出荷できた割合を示している。対照区の出荷率が７９．６％であったのに対し、施用区の出荷率は対照区より９ポイント以上高い９８．９％であった。

表２は、出荷した花の等級の内訳を示す。出荷した花は、所定の基準で秀、優、および良の３等級のいずれかに分類される。ここでは、開花数３以上かつ蕾数２以上のものを秀、秀に分類されなかったもののうち開花数２以上かつ蕾数１以上のもの優、秀にも優にも分類されなかったもの（開花数１以上）を良に分類した。なお表２において、「階級」は茎の長さ［ｃｍ］に基づく分類を示している。

対照区の秀品率が４３％であったのに対し、施用区の秀品率は２５ポイント以上高い６９％であった。このように、施用区においては、出荷率が高いだけでなく秀品率も高く、本発明を適用することにより、高品質のものを高い割合で出荷できることがわかった。

３−３．二酸化炭素濃度について
二酸化炭素施用時の二酸化炭素濃度の影響について、異なる二酸化炭素濃度下での光合成速度を測定することにより評価した。測定は、上記の実証試験を行った圃場で日中に行った。測定に用いたのはトルコギキョウ（ボヤージュホワイト）である。測定条件は以下のとおりである。
二酸化炭素濃度：３５０ｐｐｍ（対照区）
３８０ｐｐｍ、４１０ｐｐｍ、４３０ｐｐｍ（施用区）
葉温：約２９℃
光強度：ＰＰＦＤ１２００μｍｏｌｍ^-2ｓ^-1
（１０％青色ＬＥＤを含む赤色ＬＥＤ光源）
湿度：６０％
光合成速度の測定には、ＬＩ−ＣＯＲ社の光合成測定装置ＬＩ−６４００を用いた。対照区の光合成速度は、換気窓開放中の対照区の温室内の二酸化炭素濃度と同じ濃度で測定した。

図１１は、光合成速度の二酸化炭素濃度依存性を示している。施用区において、二酸化炭素濃度を３８０ｐｐｍ（大気二酸化炭素分圧に相当）とした場合は、対照区の光合成速度と顕著な差は見られなかった。これは、対照区の二酸化炭素濃度が３５０ｐｐｍであり、大気二酸化炭素分圧との差が小さいことが要因の一つであると考えられる。これに対し、二酸化炭素濃度を大気二酸化炭素分圧よりも高い４１０ｐｐｍまたは４３０ｐｐｍに設定した場合、光合成速度が大きく向上していた。このように、大気二酸化炭素分圧よりも高い二酸化炭素濃度で二酸化炭素施用を行うことにより、より効果的な二酸化炭素施用を行うことができる。

窓が開いているときの二酸化炭素濃度は大気レベルより高い濃度（例えば４００ｐｐｍ以上）であればよいが、具体的には例えば以下のようにして決めてもよい。まず、温度条件としては、換気窓を開ける設定温度を想定する。光条件としては、強光（例えば１０００μｍｏｌｍ^-2ｓ^-1 ＰＰＦＤ）を想定する。これらの温度条件および光条件の下、低濃度側の二酸化炭素濃度（第２設定値）については、二酸化炭素施用無しの場合と比較して所定の割合（例えば５％、１０％など）以上、光合成速度が増加する二酸化炭素条件を、ファーカーモデルを用いて決定する。高濃度側の二酸化炭素濃度（第１設定値）については、上記の温度条件および光条件で光合成速度が飽和する二酸化炭素濃度（一例としては１０００ｐｐｍ程度）を、ファーカーモデルを用いて決定する。なお光合成速度が飽和する二酸化炭素濃度としては、光合成速度−二酸化炭素濃度の特性（Ａ−Ｃｉ曲線）において、光合成速度の変化率が所定のしきい値（例えば１０％、５％、１％など）を下回る二酸化炭素濃度を採用する。なお、ファーカーモデルを用いた光合成速度の予測に代えて、光合成速度の実測値を用いて二酸化炭素濃度を決めてもよい。

なお、特許文献１は換気窓が開かれた場合の二酸化炭素施用の無駄を解消すること（段落００１２参照）、具体的には、温室の外への二酸化炭素の流出をほぼゼロとすることを目的としている（段落００１８）。したがって、本発明のように、窓が開いているときに大気レベルより高い二酸化炭素濃度に制御することは引用文献１の目的と矛盾しており、引用文献１に基づいて本願発明に想到することは困難であるいるといえる。さらに、特許文献１の技術では温室と内と外に合計２つの二酸化炭素濃度センサーが必要であり高コストなのに対し、本発明では二酸化炭素濃度センサーを室外に設ける必要がなく、低コストのシステムを構築できる。

４．変形例
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。

第１設定値Ｐｔｈ１および第２設定値Ｐｔｈ２は、実施例で説明されたものに限定されない。第１設定値Ｐｔｈ１については、ファーカーモデル等の光合成モデルを用いて、または別の方法により、所望の光合成速度が得られる二酸化炭素濃度が用いられてもよい。第１設定値Ｐｔｈ１［ｐｐｍ］としては、例えば以下の範囲の値が用いられる。
６００≦Ｐｔｈ１≦１５００ …（５）
なお第１設定値Ｐｔｈ１については、次式（６）の範囲がさらに好適である。
６００≦Ｐｔｈ１≦１０００ …（６）
また、第２設定値Ｐｔｈ２［ｐｐｍ］としては、例えば以下の範囲の値が用いられる。
４００≦Ｐｔｈ２≦５００ …（７）
なお、第２設定値Ｐｔｈ２は、式（７）の範囲外であっても、大気二酸化炭素濃度よりも高い濃度であればよい。なお、二酸化炭素施用に係るパラメータのうち、第１設定値、第２設定値、および窓開閉温度のうち少なくとも１つは、ファーカーモデルを用いて決定されてもよい。

二酸化炭素施用をオンまたはオフするしきい値と二酸化炭素濃度の設定値との関係は、実施形態で説明したものに限定されない。例えば、二酸化炭素濃度の設定値を中心として、設定値プラス濃度幅を上限値（オフするしきい値）、設定値マイナス濃度幅を下限値（オンするしきい値）としてもよい。あるいは、上限値および下限値をそれぞれ設定してもよい。また、二酸化炭素施用のオンオフには、実施形態で説明した以外の制御方法、例えばＰＩ制御やＰＩＤ制御が用いられてもよい。

二酸化炭素制御装置２５０のハードウェア構成は、実施形態で例示したものに限定されない。例えば、二酸化炭素供給手段２１は、実施形態で例示した灯油燃焼式のものに代えて（または加えて）、ガスボンベを用いたもの、暖房の排ガスを利用したもの、または産業排ガスを利用したものが採用されてもよい。ガスボンベ等、灯油燃焼式以外のものが用いられた場合、二酸化炭素施用装置２は、ファン２６０とダクト２７０を有していなくてもよい。また、図１で説明した機能構成の一部は削除されてもよい。例えば、計時手段２５が省略されてもよい。また、二酸化炭素供給手段２１としての機能と制御手段２４としての機能が、単一の装置により提供されてもよい。

実施例ではトルコギキョウの栽培に本発明を適用した例を説明したが、本発明の対象となる作物はトルコギキョウに限定されない。本発明は、Ｃ３植物全般に適用可能である。また、実施例で説明した光合成モデルは単一の葉を対象としたものであるが、ファーカーモデルを基に、群落を考慮したモデルが用いられてもよい。

二酸化炭素施用装置２の一部の機能（例えば、記憶手段２２、制御手段２４、および計時手段２５）は、コンピューターソフトウェアとして実装されてもよい。例えば、いわゆるユビキタス制御システム（コンピューターネットワークを利用した遠隔制御システム）における制御ソフトウェアにおいて、実施形態で説明したアルゴリズムが用いられてもよい。

１…温室、２…二酸化炭素施用装置、１１…窓、１２…温度センサー、１３…開閉検知手段、２１…二酸化炭素供給手段、２２…記憶手段、２３…濃度測定手段、２４…制御手段、２５…計時手段、２００…二酸化炭素発生装置、２３０…二酸化炭素濃度センサー、２５０…二酸化炭素制御装置、２６０…ファン、２７０…ダクト、１０００…二酸化炭素施用システム

Claims

二酸化炭素濃度の第１設定値を記憶する第１記憶手段と、
前記第１設定値より低濃度であり、かつ大気二酸化炭素濃度より高い４００ｐｐｍ以上である第２設定値を記憶する第２記憶手段と、
設定温度に応じて開閉する窓を有する温室における当該窓の開閉状態を示す信号が当該窓が閉じていることを示している場合には前記第１設定値を濃度設定値とし、前記信号が前記窓が開いていることを示している場合には前記第２設定値を濃度設定値として、前記温室において前記窓よりも栽培される植物の近くに設置された二酸化炭素濃度センサーにより測定される二酸化炭素濃度が当該濃度設定値を基準とする所定の濃度幅の範囲に収まるように前記温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を制御する制御手段と
を有する二酸化炭素施用制御装置。
前記第２設定値は、４００ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素施用制御装置。
前記第１設定値は、６００ｐｐｍ以上１５００ｐｐｍ以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の二酸化炭素施用制御装置。
前記第１設定値は、６００ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下である
ことを特徴とする請求項３に記載の二酸化炭素施用制御装置。
時刻を計測する計時手段を有し、
前記制御手段は、前記計時手段により計測される時刻があらかじめ決められた範囲にない場合には、前記二酸化炭素供給手段から二酸化炭素を供給させない
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の二酸化炭素施用制御装置。
所定の光合成モデル並びに与えられた温度及び光強度に基づいて前記第１設定値を決定する設定値決定手段
を有する請求項１ないし５のいずれか一項に記載の二酸化炭素施用制御装置。
設定温度に応じて開閉する窓を有する温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段と、
二酸化炭素濃度の第１設定値を記憶する第１記憶手段と、
前記第１設定値より低濃度であり、かつ大気二酸化炭素濃度より高い４００ｐｐｍ以上である第２設定値を記憶する第２記憶手段と、
設定温度に応じて開閉する窓を有する温室における当該窓の開閉状態を検知する検知手段から出力される信号が前記窓が閉じていることを示している場合には前記第１設定値を濃度設定値とし、前記信号が前記窓が開いていることを示している場合には前記第２設定値を濃度設定値として、前記温室において前記窓よりも栽培される植物の近くに設置された二酸化炭素濃度センサーにより測定される二酸化炭素濃度が当該濃度設定値を基準とする所定の濃度幅の範囲に収まるように前記温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を制御する制御手段と
を有する二酸化炭素施用装置。
設定温度に応じて開閉する窓を有する温室および当該温室に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給手段を有する二酸化炭素施用システムにおける二酸化炭素の施用方法であって、
前記窓の開閉状態を検知するステップと、
前記窓が閉じていることが検知された場合には、第１設定値を濃度設定値として前記二酸化炭素供給手段を制御するステップと、
前記窓が開いていることが検知された場合には、前記第１設定値より低濃度であり、かつ大気二酸化炭素濃度より高い４００ｐｐｍ以上である第２設定値を濃度設定値として、前記温室において前記窓よりも栽培される植物の近くに設置された二酸化炭素濃度センサーにより測定される二酸化炭素濃度が当該濃度設定値を基準とする所定の濃度幅の範囲に収まるように前記二酸化炭素供給手段を制御するステップと
を有する二酸化炭素施用方法。
前記第１設定値および前記第２設定値の少なくとも一方は、ファーカーの光合成モデルに基づいて決定される
ことを特徴とする請求項８に記載の二酸化炭素施用方法。
前記設定温度は、ファーカーの光合成モデルに基づいて決定される
ことを特徴とする請求項８または９に記載の二酸化炭素施用方法。
制御手段および記憶手段を有するコンピュータに、
前記記憶手段が、二酸化炭素濃度の第１設定値を記憶するステップと、
前記記憶手段が、前記第１設定値より低濃度であり、かつ大気二酸化炭素濃度より高い４００ｐｐｍ以上である第２設定値を記憶するステップと、
前記制御手段が、設定温度に応じて開閉する窓を有する温室における当該窓の開閉状態を検知するステップと、
前記窓が閉じていることが検知された場合には、前記制御手段が、前記第１設定値を濃度設定値として二酸化炭素供給手段を制御するステップと、
前記窓が開いていることが検知された場合には、前記制御手段が、前記第１設定値より低濃度であり、かつ４００ｐｐｍ以上である第２設定値を濃度設定値として、前記温室において前記窓よりも栽培される植物の近くに設置された二酸化炭素濃度センサーにより測定される二酸化炭素濃度が当該濃度設定値を基準とする所定の濃度幅の範囲に収まるように前記二酸化炭素供給手段を制御するステップと
を実行させるためのプログラム。