植物の水ストレス評価装置及び評価方法
【課題】安価で簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる水ストレス評価装置を提供する。
【解決手段】本実施形態に係る水ストレス評価装置１０は、植物１の茎５に巻き付けられる弾性体１２と、この弾性体１２に固定されたひずみゲージ１５とを有するひずみ測定センサ１１と、ひずみ測定センサ１１の出力信号に基づいてひずみの量を示すひずみ値［με］を計測・記録するデータロガー２５と、データロガー２５に接続されたＰＣ３０とを備え、弾性体１２を介して茎５の周方向ひずみを間接的に測定することで、植物１の水ストレスを評価する。
【解決手段】本実施形態に係る水ストレス評価装置１０は、植物１の茎５に巻き付けられる弾性体１２と、この弾性体１２に固定されたひずみゲージ１５とを有するひずみ測定センサ１１と、ひずみ測定センサ１１の出力信号に基づいてひずみの量を示すひずみ値［με］を計測・記録するデータロガー２５と、データロガー２５に接続されたＰＣ３０とを備え、弾性体１２を介して茎５の周方向ひずみを間接的に測定することで、植物１の水ストレスを評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物の水ストレスの程度を予測して評価するための水ストレス評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばトマトのような農作物は、給水量を極限状態にして栽培すると糖度の高い品質のトマト果実が栽培できることが既知の事実となっている。しかしながら、給水を行わない状態が続くと、植物は水ストレス障害を起こし、枯死に至る。
【０００３】
また、枯死に至らないにしても、トマトの生産量や糖度品質は、給水タイミングや給水量にも依存するために、適切な給水が行われない場合には、極端に収穫量が少なくなったり、栽培時期毎に糖度の異なるトマトが生産されたりすることがあり、これが農業経営を不安定にする要因にもなっている。
【０００４】
このため、従来から植物の水ストレスを適切に評価して、適切な給水を行うことで、高糖度と収穫量の確保をバランス良く達成しようとする試みがなされている。水ストレスを評価する方法としては、葉に圧力をかけて植物の水ストレスの指標である水ポテンシャルを直接測定するプレッシャーチャンバー法が広く知られており、例えば、下記特許文献１に開示されている。
【０００５】
しかし、プレッシャーチャンバー法では、植物の葉を取って測定する必要があり、継続的に水ストレスを評価する場合には不向きである。また、測定の度に葉を取る必要があるため、自動で水ストレスを評価することも困難である。
【０００６】
これに対して、下記特許文献２には、デジタルカメラで撮影して植物の葉の投影面積を測定することで、葉の萎れ具合を定量的に求め、水ストレスを判定する方法が開示されている。また、下記非特許文献１には、水ポテンシャルと茎の径の変化に高い相関があることから、レーザ等を用いた測長センサを測定対象の茎周辺に設置し、茎の径の変化量を直接的に測定することで、水ポテンシャルを予測する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１０９３６３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０６８４６号公報
【非特許文献１】大石直記：トマトの養液栽培における水分ストレスに応じた給液制御システムの開発(1)―茎径変化による水分ストレスの被破壊評価―．生物環境調節, 40(1),81-89(2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２に開示された方法では、非接触で簡単に水ストレスの程度を捉えることができるが、水ストレスと葉の萎れ具合との相関がそれほど高くないため、細かな水ストレスの評価は困難である。また、最初に最も葉が広がった状態を撮影するために、不必要とも言える給液を行う必要があり、手間もかかる。
【０００９】
また、上記非特許文献１に開示された方法では、基本的に２点の距離を測定するために、植物の生長に伴って直径の測定位置がずれて不明確となり、測定値の信頼性が欠如することが考えられる。また、測定２点間以外の部位（例えば測定２点間を結ぶ直線の直交方向）にのみ寸法変化があった場合は、これを測定できないおそれがある。また、測長センサは一般的に高価であり、装置コストが高くなってしまう。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、安価で簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる水ストレス評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る水ストレス評価装置は、植物の水ストレスを評価する水ストレス評価装置において、植物の茎に巻き付けられる弾性体と、この弾性体に固定されたひずみゲージとを有するひずみ測定センサを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る水ストレス評価方法は、植物の水ストレスを評価する水ストレス評価装置において、植物の茎に巻き付けられる弾性体と、この弾性体に固定されたひずみゲージとを有するひずみ測定センサを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る水ストレス評価装置及び水ストレス評価方法によれば、安価で簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に係る水ストレス評価装置の構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るひずみ測定センサの初期テンションとひずみ感度との関係を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るひずみ感度測定装置の構成を概略的に示す模式図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るひずみ測定センサの伸縮の様子を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図８】図８は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と茎の径との関係を示す図である。
【図９】図９は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と茎の径との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、変形例１に係るひずみ測定センサの温度変化による測定ひずみ値への影響を定量的に示す図である。
【図１１】図１１は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図１２】図１２は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図１３】図１３は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図１４】図１４は、変形例３に係る植物工場の構成を概略的に示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る植物の水ストレス評価装置及び評価方法について説明する。図１は、本実施形態に係る水ストレス評価装置の構成を示す模式図である。
【００１６】
本実施形態に係る水ストレス評価装置１０は、植物（トマト）の茎の周囲長の変化を、弾性体（帯状ゴム１２）を介してひずみゲージ１５により測定することで、植物の水ストレスを評価することを特徴とし、本実施形態では、ビニールハウス内で栽培されるトマトの茎を被測定物とする場合について説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る水ストレス評価装置１０は、トマト１の茎５の周方向に巻かれたひずみ測定センサ１１、ひずみ測定センサ１１の出力信号に基づいてひずみの量を示すひずみ値［με（strain）］を計測・記録するデータロガー２５、データロガー２５に接続されたＰＣ３０を備えている。
【００１８】
ひずみ測定センサ１１は、両端部をクリップ１８で固定されて茎５に巻き付けられる弾性体である帯状ゴム１２、帯状ゴム１２の表面側に接着剤により固定されたひずみゲージ１５を備えている。
【００１９】
帯状ゴム１２は、幅がひずみゲージ１５を表面に貼付することができる程度、長さが茎５の周囲の長さよりも若干長い程度の形状とすれば良い。また、帯状ゴム１２の厚みは、茎５の周囲長の変化によるひずみが表面側に適度に表れる程度の厚みが望ましく、例えば、0.5〜2mm程度であれば良い。ここで、本実施形態では、茎５の直径が約10mmの箇所に帯状ゴム１２を巻き付けており、帯状ゴム１２は、幅4mm、長さ20m、厚み1mmである。
【００２０】
また、帯状ゴム１２にひずみゲージ１５が貼付されたひずみ測定センサ１１は、帯状ゴム１２が変形していない元の形状から引き伸ばされて、テンションをかけた状態で茎５の周囲に巻き付けられる。このように初期テンションをかけておけば、水分が不足して茎が縮んだ場合のひずみを正しく測定することができる。
【００２１】
具体的には、ひずみゲージ１５を貼付しただけの変形していない時のひずみ値よりも5,000με程度大きなひずみ値となる初期テンションでひずみ測定センサ１１を取り付けるのが望ましい。ここで、初期テンションを5,000μεとした理由について、図２を参照しながら説明する。
【００２２】
図２は、ひずみ測定センサ１１の初期テンションとひずみ感度の関係を示す図であり、横軸がひずみ測定センサ１１の初期テンション［με］、縦軸がひずみ感度［με／με］を示している。ここで、ひずみ感度とは、帯状ゴム１２を介したひずみゲージ１５の間接的な測定によるひずみと、茎５の実際の周方向のひずみとの相関を示す指標であり、ひずみ感度が高ければ、間接的な測定でも茎５のひずみを適切に測定できること意味する。
【００２３】
なお、本実施形態では、図３に示したひずみ感度測定装置５０によりひずみ感度を測定しており、被試験片（ここでは、金属リング５４）の周方向ひずみと、被試験片５４に巻き付けられたひずみ測定センサ１１のひずみゲージ１５による測定値（ひずみ値）との比をひずみ感度としている。なお、金属リング５４の周方向ひずみは、予め金属リング５４の表面（側面）に直接ひずみゲージ１５を貼り付けて直接測定したひずみ値を採用している。
【００２４】
図３に示すように、ひずみ感度測定装置５０は、1°のテーパが付いた逆円錐台形状のステンレス棒５３、直径15mmで厚さ2mmの円筒形状の金属（銅合金製）リング５４、リング保持具５５、金属リング５４に巻き付けられたひずみ測定センサ１１、データロガー２５を備えている。なお、ひずみ感度測定装置５０において、上記水ストレス評価装置１０と同じ部材には同じ番号を付して、詳細な説明を省略する。
【００２５】
ステンレス棒５３は、リング保持具５５に保持された金属リング５４の中に挿入されており、ステンレス棒５３の側面には１°のテーパが付いているため、ステンレス棒５４を下方に準静的に押し込むと、金属リング５４の内面が外側に向けて押圧され、金属リング５４の表面にひずみが発生すると共に、ステンレス棒５４を上方に抜く際にはこの押圧が無くなるため逆のひずみが発生する。
【００２６】
そして、このステンレス棒５４を挿したり抜いたりする際のひずみ感度が高ければ、ひずみ測定センサ１１の測定値が金属リング５４の実際のひずみ値に近づくことになる。図２によれば、初期テンションが5,000μεあたりにおいて、ひずみ感度が0.10と最も高くなっており、金属リング５４の実際のひずみの約10分の1の量のひずみを帯状ゴム１２に貼付したひずみゲージ１５で測定できることが分かる。
【００２７】
よって、本実施形態では、ひずみ測定センサ１１を取り付ける際の初期テンションを5,000μεとしている。もちろん、図２を参照すれば、初期テンションが5,000με以外であっても十分なひずみ感度を得ることができるのは明らかであり、本実施形態に係る条件下では、初期テンションが3,000〜9,000μεであれば、十分なμε感度を得ることができる。
【００２８】
続いて、ひずみ感度について、図４を参照しながら、理論的に考察してみる。図４は、本実施形態に係るひずみ測定センサの伸縮の様子を示す図であり、図４（ａ）は、ひずみ測定センサ１１がまだ取り付けられておらず、ひずみゲージ１５が貼付された帯状ゴム１２が伸びていない状態の図、図４（ｂ）は、ひずみ測定センサ１１が茎５に取り付けられ、帯状ゴム１２が伸びた状態の図、図４（ｃ）は、茎５が水分不足により細くなり、帯状ゴム１２が図４（ｂ）の状態より縮んだ状態の図、図４（ｄ）は、茎５が生長して太くなり、帯状ゴム１２が図４（ｂ）の状態より伸びた状態の図、図４（ｅ）は、ひずみ測定センサ１１をバネに例えた場合の模式図を示している。
【００２９】
ひずみ測定センサ１１自体をバネと捉えると、その構造は、ひずみゲージ１５が装着されている部分（Ｂ部分）では、帯状ゴム１２によるバネと、ひずみゲージ１５を構成する樹脂フィルムによるバネとが並列になり、これと、帯状ゴム１２のみのＡ部分の帯状ゴム１２によるバネとが直列に接続される構造となる。
【００３０】
帯状ゴム１２のヤング率をＥr、断面積をＡr、ひずみゲージ１５のベースフィルムのヤング率をＥf、断面積をＡfとすると、Ａ部分（帯状ゴム１２のみ）の伸びに対するＢ部分（ひずみゲージ１５の樹脂フィルム＋帯状ゴム１２）の伸びの比Ｈは、Ｈ＝ＡrＥr／（ＡrＥr＋ＡfＥf）となる。
【００３１】
したがって、ひずみゲージ１５で測定されるひずみ値は、帯状ゴム１２の幅や長さには依存せず、帯状ゴム１２及びひずみゲージ１５の樹脂フィルムの柔らかさと断面積に依存することになる。本実施形態では、帯状ゴム１２はクロロプレンゴム、ひずみゲージ１５のベースフィルムはポリイミドであり、材料物性値と断面積を上式に代入すると、0.1よりもやや小さな値となる。この値は、上述したひずみ感度とほぼ同じ値であり、理論的にも帯状ゴム１２を介在させることで、被測定物に生じるひずみの約10分の1のひずみ値がひずみゲージ１５の測定値となることが分かり、上式をセンサ設計上、有効に用いることができる。
【００３２】
続いて、このような初期テンションをかけた帯状ゴム１２の取り付けにあたっては、茎５に巻かれて重ね合わされた帯状ゴム１２の両端部をダブルクリップ（ターンクリップ）１８により挟むことで固定・設置している。
【００３３】
もちろん、帯状ゴム１２の設置にあたっては、所定のテンションをかけた状態で帯状ゴム１２を茎５の周りに巻き付けて固定・設置できる固定具であれば、ダブルクリップ１８以外の固定具を適宜用いることができる。また、帯状ゴム１２を茎５の周囲長よりも短い環形状とし、固定具を使わないで茎５周りに取り付けるようにしても良い。帯状ゴム１２を巻き付ける箇所は、近接する二つの葉柄の中間辺りに位置する主茎の部分が望ましい。
【００３４】
また、本実施形態では、帯状ゴム１２として、耐候性に優れるクロロプレンゴム（商品名：ネオプレンゴム（登録商標））のシートを用いているが、シリコンゴムやブチルゴム等の他のゴム素材のシートや、均一な伸びが得られるスポンジシートのような素材等、茎５の径の変化に応じて伸び縮みする他の弾性材料を適宜用いることができる。なお、帯状ゴム１２として使用する弾性体としては、ヤング率（縦弾性係数）が数MPaオーダーのものを用いるのが望ましい。
【００３５】
ひずみゲージ１５としては、共和電業社製の大ひずみゲージ（KFEM）を使用し、ひずみゲージ１５は、帯状ゴム１２の延在方向（周方向）のひずみを測定すべく、ゲージの延在方向が帯状ゴム１２の延在方向と平行になるように、帯状ゴム１２の表面に接着剤により接着固定されている。この接着剤としては、接着力の経時変化が小さく、長期間安定した接着強度を維持できる接着剤を使用するのが望ましい。
【００３６】
茎５の径が変化して茎５の周囲長が変化すると、茎５の周囲に圧着して巻き付けられている帯状ゴム１２が変形し、ひずみが発生する。このひずみの大きさをひずみ測定センサ１１によって測定することで、間接的に茎５の周囲長の変化を検知することが可能となる。
【００３７】
データロガー２５は、リード線２０を介してひずみゲージ１５の出力信号を受信し、この出力信号に基づいてひずみ値を計測して、内部のメモリに記録する。データロガー２５に接続されたＰＣ３０は、データロガー２５に記録されているひずみ値を取り込むことが可能であり、測定されたひずみ値に対して、後述する温度補正処理等を施すことができ、温度補正手段として機能する。
【００３８】
以上、水ストレス評価装置１０の構成について説明したが、このような構成によれば、ひずみゲージ１５により、帯状ゴム１２の延在方向のひずみを計測することで、間接的に茎５の周囲長の変化を測定することができる。水が不足して植物に水ストレスがかかると茎が細くなるため、茎５の周囲長の変化を測定することで、植物にかかっている水ストレスの大きさを評価することができる。
【００３９】
続いて、水ストレス評価装置１０を用いた測定結果により、水ストレスを適切に評価できることを、図５乃至図７を参照しながら説明する。図５、図６及び図７は、ひずみ測定センサによる測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。ここで、本実験では、ひずみゲージ１５として、上述した大ひずみゲージだけでなく、共和電業社製のプラスチック用ひずみゲージ（KFP）を用いた計測も行った。
【００４０】
図５及び図６がプラスチック用ひずみゲージによる測定結果であり、図７が大ひずみゲージによる測定結果を示している。また、図５が通常よりも給水量を少なくして栽培されているトマトに関する図、図６及び図７が通常の給水量により栽培されているトマトに関する図である。
【００４１】
図５乃至図７では、水ストレス評価装置１０により間接的に測定した茎５のひずみ値［με］を横軸に、この測定と一緒に採取した葉６のプレッシャーチャンバー法により測定した水ポテンシャル［MPa］を縦軸にしてプロットしている。
【００４２】
本実験によれば、図５に示す給水小区における両者の決定係数は0.5535、図６に示す通常給水区における両者の決定係数は0.6605、図７に示す通常給水区における両者の決定係数は0.3592と、ある程度高い値になっており、この結果は、水ストレス評価装置１０により、植物の水ストレスの度合いを適切に評価できることを示唆している。
【００４３】
次に、水ストレス評価装置１０による測定値と茎５の径変化との関係を、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は横軸を時間、縦軸をトマト１の茎径［mm］及びひずみ測定センサ１１の測定値［με］として、両者の関係を示す図であり、図９は、横軸を茎径［mm］、縦軸をひずみ測定センサ１１の測定値［με］とし、さらに、測定開始日からの経過日数をパラメータとして、両者の関係を示す図である。
【００４４】
この実験では、茎径が8mm弱に育ったものを使用し、茎径は、第一葉柄よりやや下の主径の適当な位置で差動トランスを利用した変位センサによる接触法により測定した。水ストレス評価装置１０のひずみ測定センサ１１は、上記変位センサに近い場所の主径に5,000μεの初期テンションをかけた状態で設置した。また、ひずみ測定センサ１１を巻き付けた最初のひずみ値をゼロとし、それ以降の変化量を測定した。両者とも５分ごとに測定を行い、５日間の変遷を測定した。
【００４５】
また、被測定物であるトマト１は、研究室内で栽培しているものであり、メタルハライドランプにより光を照射する時間を制御するようにした。具体的には、午前６時〜午後６時にライトをつけて光を照射し、午後６時〜午前６時はライトを消すように制御した。また、毎日午前９時２５分に約200mlの養液を自動的に給液するようにした。
【００４６】
図８に示すように、間接的に茎５のひずみを測定するひずみ測定センサ１１の測定値が茎５の径と高い相関があることが分かる。このことも、水ストレス評価装置１０の測定により、植物の水ストレスの度合いを適切に評価できることを示唆している。
【００４７】
また、トマト１に光が当たり始める午前６時以降、茎径が減少し続け、それは給液が開始されるまで続く。これは、茎５内の水分が光合成に使用されて減少するためである。そして、午前９時２５分の給液により、茎径が増加し始め、ほぼ元の太さまで回復している。
【００４８】
図９において、菱形でプロットした線が２日目の結果、四角でプロットしたのが３日目の結果、三角でプロットしたのが４日目の結果、丸でプロットしたのが５日目の結果である。なお、測定１日目については、茎径の変化が十分に大きくないことから割愛した。
【００４９】
同図に示すように、２日目以降の茎径が減少する過程においては、茎径変化に対する測定ひずみ値変化が曲線を描いているのがわかる。一方、給液後の茎径増加過程においては、茎径が減少する過程でたどった行程と同じ逆向きの行程をとらない（ヒステリシスを描く）ことがわかる。
【００５０】
これは、急激に径が増加することが原因で起こるミスマッチであり、茎５に張りついた帯状ゴム１２が均一に伸びるのに時間がかかるためであると思われる。しかしながら、１時間程度で茎径と茎ひずみ茎径の関係は、元の状態に戻ることが確認されているため、茎径の変化が減少する過程を評価することに対しては特に問題はない。
【００５１】
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、安価な帯状ゴム１２とひずみゲージ１５からなる簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる。また、本実施形態では、茎５の周囲に直接ひずみ測定センサ１１を巻き付けており、茎が生長した場合にセンサも一緒に移動するため、測定位置がずれることなく、正確な測定を継続させることができる。
【００５２】
また、本実施形態では、茎５の周囲に巻き付けた帯状ゴム１２のひずみを測定、すなわち茎５の周方向のひずみ積分値を測定しており、茎５周りの一部のみが収縮した場合でも検知することが可能であり、水ストレスを適切に評価することが可能である。
【００５３】
また、市販されるひずみゲージの多くは、2％（20,000με）までのひずみを測定できるものであり、植物の水ストレスによる茎径変化は2％を超えることがあり得る。したがって、一般的なひずみゲージでは、茎５の周方向ひずみを直接測定できなくなるおそれがある。これに対して、本実施形態では、帯状ゴム１２を介して間接的に茎５の周方向のひずみを測定することで、直接茎５のひずみを直接測定する場合と比較して、測定されるひずみ値が10分の1程度の値となっており、安価な一般的なひずみゲージで十分に計測可能である。
【００５４】
また、本実施形態に係るひずみ測定センサ１１は、容易に脱着可能であり、繰り返し使用したり、ひずみ値が大きくなった場合にはいったん取り外して帯状ゴム１２の初期テンションを再調整したりすることができ、非常に経済的である。
【００５５】
続いて、本実施形態の変形例１について、図１０乃至図１３を参照しながら説明する。ひずみ測定センサ１１は、温度変化によっても測定値に変化が生じてしまう。よって、本変形例１では、温度変化によりひずみ測定への悪影響を取り除くように構成したことを特徴としている。なお、この温度補正は、データロガー２５から測定ひずみ値を取り込んだＰＣ３０において行われる。
【００５６】
図１０は、変形例１に係るひずみ測定センサの温度変化による測定ひずみ値への影響（ここでは、熱出力とする）を定量的に示す図であり、横軸がひずみ測定ゲージの初期テンション［με］、縦軸が熱出力を示している。図１１乃至図１３は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と水ポテンシャルとの相関を示す図である。ここで、本変形例１においても、ひずみゲージ１５として、大ひずみゲージだけでなく、共和電業社製のプラスチック用ひずみゲージ（KFP）を用いた計測も行った。
【００５７】
図１１及び図１２がプラスチック用ひずみゲージによる測定結果であり、図１３が大ひずみゲージによる測定結果を示している。また、図１１が給水小区のトマトに関する図、図１２及び図１３が通常給水区のトマトに関する図である。
【００５８】
図１０の実験では、銅合金製円柱にひずみ測定センサ１１を取り付けた物を、50℃に温めた熱容量の十分なお湯の中に入れ、氷を少量ずつ加えながらかき混ぜてゆっくりと10℃まで水の温度を下げたときの、帯状ゴム１２の温度と測定ひずみ値の測定結果から導き出される熱出力（με/℃：1℃変化した場合に変化するひずみ値）を求めている。
【００５９】
また、本実験では、ひずみ測定センサ１１を銅合金製円柱に巻き付ける際の初期テンションを順次変更しながら熱出力を測定した。なお、温度変化に対する測定ひずみ値の変化は全ての実験において線形で表された。図１０では、横軸が初期テンション［με］、縦軸が熱出力［με/℃］を示している。
【００６０】
同図に示すように、ひずみ測定センサ１１の初期テンションと熱出力とは線形関係にあることが分かる。また、初期テンションは、ひずみ測定センサ１１の取り付け時に測定可能である。したがって、本変形例１では、上述した図５乃至図７に示した測定ひずみ値に対して、初期テンションに相当する熱出力に基づいて温度補正を行うことで、温度変化によるひずみ測定値への影響を除外するようにしている。
【００６１】
図１１乃至図１３に示すように、本変形例１による温度補正を行うと、図５乃至図７に示した測定値をそのままプロットした場合と比べて、補正ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関が高くなっている。具体的には、図１１に示す給水小区では、決定係数が補正前の0.5535から0.6688に、図１２に示す通常給水区でも、決定係数が補正前の0.6605から0.8180に、図１３に示す通常給水区でも、決定係数が補正前の0.3592から0.7445と高くなっており、本変形例１による温度補正を行うことで、水ストレス評価装置１０の測定により、植物の水ストレスの度合いをより適切に評価することができることが分かり、特に、大ひずみゲージを用いる場合には、温度補正による効果が多大である。
【００６２】
続いて、本実施形態の変形例２について、説明する。上記変形例１では、補正式を用いた計算により温度補正を行ったが、本変形例２では、温度補正手段としての温度補正用のひずみ測定センサを、測定条件が同じとなるようにひずみ測定センサ１１の側に設置し、この温度補正用ひずみ測定センサの出力値を用いて温度補正することを特徴としている。
【００６３】
ひずみ測定センサ１１の側に設置される補正用ひずみ測定センサは、温度が変化しても茎５と比較してほとんど径が変化しない円柱体（例えば、金属製）に、ひずみ測定センサ１１と同じ初期テンションで取り付けられる。そうすると、補正用ひずみ測定センサの測定値は、温度や湿度等の環境変化にのみ起因して変化したひずみ値を表すことになる。
【００６４】
そして、ひずみ測定センサ１１の測定ひずみ値から、補正用ひずみ測定センサの環境変化分のひずみ値を引き算することで、温度変化だけでなく、湿度変化等を含む環境変化によるひずみ値の変化分を取り除く外乱補正を行うことができる。加えて、本変形例１では、温度補正のための複雑な計算器等が必要無く、低コストでリアルタイムに外乱補正（温度補正を含む）を行うことが可能である。
【００６５】
続いて、本実施形態の変形例３について、図１４を参照しながら説明する。本変形例３では、水ストレス評価装置１０を用いて自動的に給液制御を行う植物工場を構成した。図１４は、変形例３に係る植物工場の構成を概略的に示す模式図である。
【００６６】
同図に示すように、本変形例３に係る植物工場は、ビニールハウスの中でトマト１を栽培するための工場であり、水ストレス評価装置１０を構成するひずみ測定センサ１１、リード線２０、データロガー２５及びＰＣ３０に加えて、給液管６０、バルブ６１、制御用ＤＩＯボード６５を備えている。
【００６７】
本植物工場においては、ひずみ測定センサ１１の測定値に基づき、糖度が高いトマトを収穫でき、且つ、所望の収穫量を確保できるように、バルブ６１の開閉が制御される。本変形例３によれば、ひずみ測定センサ１１のひずみ測定値からトマト１の適切な水ストレスを評価することができ、この評価に基づき給液のタイミング及び量を自動的に制御することで、生産量の制御や、糖度等の果実品質の安定を実現することができる。
【００６８】
なお、以上、変形例を含めて本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、植物としてトマトを対象にしたが、ぶどうなどの他の植物も適宜対象とすることができる。また、植物には木が含まれ、本明細書において茎には木の幹が含まれる。
【００６９】
なお、上述したように、ひずみ測定センサは、温度や湿度等の影響を受けやすいため、本発明の測定対象となる植物は、土耕栽培や家庭菜園等の露地栽培ではない、外と仕切られ、外部からの雨等の水の浸入がない栽培地（ガラスハウス、パイプハウス等）で栽培されている植物であることが望ましいが、露地栽培においても使用することはできる。
【００７０】
また、上記実施形態では、茎に巻き付ける弾性体として帯状ゴムを例に挙げて説明したが、茎の周方向のひずみを間接的に測定できる弾性体であれば、適宜他の形状や材料の物を用いることができる。
【００７１】
また、上記実施形態においては、ゴムシートに大ひずみゲージを接着した場合について述べているが、これに代えて、接着可能な特定材料専用のひずみゲージを使用してもよい。また、ゴムシートの留め具として、市販されているダブルクリップを用いた場合について述べているが、これに代えて、他の道具を用いて留めてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
５ 茎
１０ 水ストレス評価装置
１１ ひずみ測定センサ
１２ 帯状ゴム
１５ ひずみゲージ
１８ クリップ
２０ リード線
２５ データロガー
３０ ＰＣ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、植物の水ストレスの程度を予測して評価するための水ストレス評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばトマトのような農作物は、給水量を極限状態にして栽培すると糖度の高い品質のトマト果実が栽培できることが既知の事実となっている。しかしながら、給水を行わない状態が続くと、植物は水ストレス障害を起こし、枯死に至る。
【０００３】
また、枯死に至らないにしても、トマトの生産量や糖度品質は、給水タイミングや給水量にも依存するために、適切な給水が行われない場合には、極端に収穫量が少なくなったり、栽培時期毎に糖度の異なるトマトが生産されたりすることがあり、これが農業経営を不安定にする要因にもなっている。
【０００４】
このため、従来から植物の水ストレスを適切に評価して、適切な給水を行うことで、高糖度と収穫量の確保をバランス良く達成しようとする試みがなされている。水ストレスを評価する方法としては、葉に圧力をかけて植物の水ストレスの指標である水ポテンシャルを直接測定するプレッシャーチャンバー法が広く知られており、例えば、下記特許文献１に開示されている。
【０００５】
しかし、プレッシャーチャンバー法では、植物の葉を取って測定する必要があり、継続的に水ストレスを評価する場合には不向きである。また、測定の度に葉を取る必要があるため、自動で水ストレスを評価することも困難である。
【０００６】
これに対して、下記特許文献２には、デジタルカメラで撮影して植物の葉の投影面積を測定することで、葉の萎れ具合を定量的に求め、水ストレスを判定する方法が開示されている。また、下記非特許文献１には、水ポテンシャルと茎の径の変化に高い相関があることから、レーザ等を用いた測長センサを測定対象の茎周辺に設置し、茎の径の変化量を直接的に測定することで、水ポテンシャルを予測する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１０９３６３号公報
【特許文献２】特開２００７−３０６８４６号公報
【非特許文献１】大石直記：トマトの養液栽培における水分ストレスに応じた給液制御システムの開発(1)―茎径変化による水分ストレスの被破壊評価―．生物環境調節, 40(1),81-89(2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２に開示された方法では、非接触で簡単に水ストレスの程度を捉えることができるが、水ストレスと葉の萎れ具合との相関がそれほど高くないため、細かな水ストレスの評価は困難である。また、最初に最も葉が広がった状態を撮影するために、不必要とも言える給液を行う必要があり、手間もかかる。
【０００９】
また、上記非特許文献１に開示された方法では、基本的に２点の距離を測定するために、植物の生長に伴って直径の測定位置がずれて不明確となり、測定値の信頼性が欠如することが考えられる。また、測定２点間以外の部位（例えば測定２点間を結ぶ直線の直交方向）にのみ寸法変化があった場合は、これを測定できないおそれがある。また、測長センサは一般的に高価であり、装置コストが高くなってしまう。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、安価で簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる水ストレス評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る水ストレス評価装置は、植物の水ストレスを評価する水ストレス評価装置において、植物の茎に巻き付けられる弾性体と、この弾性体に固定されたひずみゲージとを有するひずみ測定センサを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る水ストレス評価方法は、植物の水ストレスを評価する水ストレス評価装置において、植物の茎に巻き付けられる弾性体と、この弾性体に固定されたひずみゲージとを有するひずみ測定センサを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る水ストレス評価装置及び水ストレス評価方法によれば、安価で簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に係る水ストレス評価装置の構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るひずみ測定センサの初期テンションとひずみ感度との関係を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るひずみ感度測定装置の構成を概略的に示す模式図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るひずみ測定センサの伸縮の様子を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図８】図８は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と茎の径との関係を示す図である。
【図９】図９は、本実施形態に係るひずみ測定センサの測定値と茎の径との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、変形例１に係るひずみ測定センサの温度変化による測定ひずみ値への影響を定量的に示す図である。
【図１１】図１１は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図１２】図１２は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図１３】図１３は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。
【図１４】図１４は、変形例３に係る植物工場の構成を概略的に示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る植物の水ストレス評価装置及び評価方法について説明する。図１は、本実施形態に係る水ストレス評価装置の構成を示す模式図である。
【００１６】
本実施形態に係る水ストレス評価装置１０は、植物（トマト）の茎の周囲長の変化を、弾性体（帯状ゴム１２）を介してひずみゲージ１５により測定することで、植物の水ストレスを評価することを特徴とし、本実施形態では、ビニールハウス内で栽培されるトマトの茎を被測定物とする場合について説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る水ストレス評価装置１０は、トマト１の茎５の周方向に巻かれたひずみ測定センサ１１、ひずみ測定センサ１１の出力信号に基づいてひずみの量を示すひずみ値［με（strain）］を計測・記録するデータロガー２５、データロガー２５に接続されたＰＣ３０を備えている。
【００１８】
ひずみ測定センサ１１は、両端部をクリップ１８で固定されて茎５に巻き付けられる弾性体である帯状ゴム１２、帯状ゴム１２の表面側に接着剤により固定されたひずみゲージ１５を備えている。
【００１９】
帯状ゴム１２は、幅がひずみゲージ１５を表面に貼付することができる程度、長さが茎５の周囲の長さよりも若干長い程度の形状とすれば良い。また、帯状ゴム１２の厚みは、茎５の周囲長の変化によるひずみが表面側に適度に表れる程度の厚みが望ましく、例えば、0.5〜2mm程度であれば良い。ここで、本実施形態では、茎５の直径が約10mmの箇所に帯状ゴム１２を巻き付けており、帯状ゴム１２は、幅4mm、長さ20m、厚み1mmである。
【００２０】
また、帯状ゴム１２にひずみゲージ１５が貼付されたひずみ測定センサ１１は、帯状ゴム１２が変形していない元の形状から引き伸ばされて、テンションをかけた状態で茎５の周囲に巻き付けられる。このように初期テンションをかけておけば、水分が不足して茎が縮んだ場合のひずみを正しく測定することができる。
【００２１】
具体的には、ひずみゲージ１５を貼付しただけの変形していない時のひずみ値よりも5,000με程度大きなひずみ値となる初期テンションでひずみ測定センサ１１を取り付けるのが望ましい。ここで、初期テンションを5,000μεとした理由について、図２を参照しながら説明する。
【００２２】
図２は、ひずみ測定センサ１１の初期テンションとひずみ感度の関係を示す図であり、横軸がひずみ測定センサ１１の初期テンション［με］、縦軸がひずみ感度［με／με］を示している。ここで、ひずみ感度とは、帯状ゴム１２を介したひずみゲージ１５の間接的な測定によるひずみと、茎５の実際の周方向のひずみとの相関を示す指標であり、ひずみ感度が高ければ、間接的な測定でも茎５のひずみを適切に測定できること意味する。
【００２３】
なお、本実施形態では、図３に示したひずみ感度測定装置５０によりひずみ感度を測定しており、被試験片（ここでは、金属リング５４）の周方向ひずみと、被試験片５４に巻き付けられたひずみ測定センサ１１のひずみゲージ１５による測定値（ひずみ値）との比をひずみ感度としている。なお、金属リング５４の周方向ひずみは、予め金属リング５４の表面（側面）に直接ひずみゲージ１５を貼り付けて直接測定したひずみ値を採用している。
【００２４】
図３に示すように、ひずみ感度測定装置５０は、1°のテーパが付いた逆円錐台形状のステンレス棒５３、直径15mmで厚さ2mmの円筒形状の金属（銅合金製）リング５４、リング保持具５５、金属リング５４に巻き付けられたひずみ測定センサ１１、データロガー２５を備えている。なお、ひずみ感度測定装置５０において、上記水ストレス評価装置１０と同じ部材には同じ番号を付して、詳細な説明を省略する。
【００２５】
ステンレス棒５３は、リング保持具５５に保持された金属リング５４の中に挿入されており、ステンレス棒５３の側面には１°のテーパが付いているため、ステンレス棒５４を下方に準静的に押し込むと、金属リング５４の内面が外側に向けて押圧され、金属リング５４の表面にひずみが発生すると共に、ステンレス棒５４を上方に抜く際にはこの押圧が無くなるため逆のひずみが発生する。
【００２６】
そして、このステンレス棒５４を挿したり抜いたりする際のひずみ感度が高ければ、ひずみ測定センサ１１の測定値が金属リング５４の実際のひずみ値に近づくことになる。図２によれば、初期テンションが5,000μεあたりにおいて、ひずみ感度が0.10と最も高くなっており、金属リング５４の実際のひずみの約10分の1の量のひずみを帯状ゴム１２に貼付したひずみゲージ１５で測定できることが分かる。
【００２７】
よって、本実施形態では、ひずみ測定センサ１１を取り付ける際の初期テンションを5,000μεとしている。もちろん、図２を参照すれば、初期テンションが5,000με以外であっても十分なひずみ感度を得ることができるのは明らかであり、本実施形態に係る条件下では、初期テンションが3,000〜9,000μεであれば、十分なμε感度を得ることができる。
【００２８】
続いて、ひずみ感度について、図４を参照しながら、理論的に考察してみる。図４は、本実施形態に係るひずみ測定センサの伸縮の様子を示す図であり、図４（ａ）は、ひずみ測定センサ１１がまだ取り付けられておらず、ひずみゲージ１５が貼付された帯状ゴム１２が伸びていない状態の図、図４（ｂ）は、ひずみ測定センサ１１が茎５に取り付けられ、帯状ゴム１２が伸びた状態の図、図４（ｃ）は、茎５が水分不足により細くなり、帯状ゴム１２が図４（ｂ）の状態より縮んだ状態の図、図４（ｄ）は、茎５が生長して太くなり、帯状ゴム１２が図４（ｂ）の状態より伸びた状態の図、図４（ｅ）は、ひずみ測定センサ１１をバネに例えた場合の模式図を示している。
【００２９】
ひずみ測定センサ１１自体をバネと捉えると、その構造は、ひずみゲージ１５が装着されている部分（Ｂ部分）では、帯状ゴム１２によるバネと、ひずみゲージ１５を構成する樹脂フィルムによるバネとが並列になり、これと、帯状ゴム１２のみのＡ部分の帯状ゴム１２によるバネとが直列に接続される構造となる。
【００３０】
帯状ゴム１２のヤング率をＥr、断面積をＡr、ひずみゲージ１５のベースフィルムのヤング率をＥf、断面積をＡfとすると、Ａ部分（帯状ゴム１２のみ）の伸びに対するＢ部分（ひずみゲージ１５の樹脂フィルム＋帯状ゴム１２）の伸びの比Ｈは、Ｈ＝ＡrＥr／（ＡrＥr＋ＡfＥf）となる。
【００３１】
したがって、ひずみゲージ１５で測定されるひずみ値は、帯状ゴム１２の幅や長さには依存せず、帯状ゴム１２及びひずみゲージ１５の樹脂フィルムの柔らかさと断面積に依存することになる。本実施形態では、帯状ゴム１２はクロロプレンゴム、ひずみゲージ１５のベースフィルムはポリイミドであり、材料物性値と断面積を上式に代入すると、0.1よりもやや小さな値となる。この値は、上述したひずみ感度とほぼ同じ値であり、理論的にも帯状ゴム１２を介在させることで、被測定物に生じるひずみの約10分の1のひずみ値がひずみゲージ１５の測定値となることが分かり、上式をセンサ設計上、有効に用いることができる。
【００３２】
続いて、このような初期テンションをかけた帯状ゴム１２の取り付けにあたっては、茎５に巻かれて重ね合わされた帯状ゴム１２の両端部をダブルクリップ（ターンクリップ）１８により挟むことで固定・設置している。
【００３３】
もちろん、帯状ゴム１２の設置にあたっては、所定のテンションをかけた状態で帯状ゴム１２を茎５の周りに巻き付けて固定・設置できる固定具であれば、ダブルクリップ１８以外の固定具を適宜用いることができる。また、帯状ゴム１２を茎５の周囲長よりも短い環形状とし、固定具を使わないで茎５周りに取り付けるようにしても良い。帯状ゴム１２を巻き付ける箇所は、近接する二つの葉柄の中間辺りに位置する主茎の部分が望ましい。
【００３４】
また、本実施形態では、帯状ゴム１２として、耐候性に優れるクロロプレンゴム（商品名：ネオプレンゴム（登録商標））のシートを用いているが、シリコンゴムやブチルゴム等の他のゴム素材のシートや、均一な伸びが得られるスポンジシートのような素材等、茎５の径の変化に応じて伸び縮みする他の弾性材料を適宜用いることができる。なお、帯状ゴム１２として使用する弾性体としては、ヤング率（縦弾性係数）が数MPaオーダーのものを用いるのが望ましい。
【００３５】
ひずみゲージ１５としては、共和電業社製の大ひずみゲージ（KFEM）を使用し、ひずみゲージ１５は、帯状ゴム１２の延在方向（周方向）のひずみを測定すべく、ゲージの延在方向が帯状ゴム１２の延在方向と平行になるように、帯状ゴム１２の表面に接着剤により接着固定されている。この接着剤としては、接着力の経時変化が小さく、長期間安定した接着強度を維持できる接着剤を使用するのが望ましい。
【００３６】
茎５の径が変化して茎５の周囲長が変化すると、茎５の周囲に圧着して巻き付けられている帯状ゴム１２が変形し、ひずみが発生する。このひずみの大きさをひずみ測定センサ１１によって測定することで、間接的に茎５の周囲長の変化を検知することが可能となる。
【００３７】
データロガー２５は、リード線２０を介してひずみゲージ１５の出力信号を受信し、この出力信号に基づいてひずみ値を計測して、内部のメモリに記録する。データロガー２５に接続されたＰＣ３０は、データロガー２５に記録されているひずみ値を取り込むことが可能であり、測定されたひずみ値に対して、後述する温度補正処理等を施すことができ、温度補正手段として機能する。
【００３８】
以上、水ストレス評価装置１０の構成について説明したが、このような構成によれば、ひずみゲージ１５により、帯状ゴム１２の延在方向のひずみを計測することで、間接的に茎５の周囲長の変化を測定することができる。水が不足して植物に水ストレスがかかると茎が細くなるため、茎５の周囲長の変化を測定することで、植物にかかっている水ストレスの大きさを評価することができる。
【００３９】
続いて、水ストレス評価装置１０を用いた測定結果により、水ストレスを適切に評価できることを、図５乃至図７を参照しながら説明する。図５、図６及び図７は、ひずみ測定センサによる測定値と葉の水ポテンシャルとの相関を示す図である。ここで、本実験では、ひずみゲージ１５として、上述した大ひずみゲージだけでなく、共和電業社製のプラスチック用ひずみゲージ（KFP）を用いた計測も行った。
【００４０】
図５及び図６がプラスチック用ひずみゲージによる測定結果であり、図７が大ひずみゲージによる測定結果を示している。また、図５が通常よりも給水量を少なくして栽培されているトマトに関する図、図６及び図７が通常の給水量により栽培されているトマトに関する図である。
【００４１】
図５乃至図７では、水ストレス評価装置１０により間接的に測定した茎５のひずみ値［με］を横軸に、この測定と一緒に採取した葉６のプレッシャーチャンバー法により測定した水ポテンシャル［MPa］を縦軸にしてプロットしている。
【００４２】
本実験によれば、図５に示す給水小区における両者の決定係数は0.5535、図６に示す通常給水区における両者の決定係数は0.6605、図７に示す通常給水区における両者の決定係数は0.3592と、ある程度高い値になっており、この結果は、水ストレス評価装置１０により、植物の水ストレスの度合いを適切に評価できることを示唆している。
【００４３】
次に、水ストレス評価装置１０による測定値と茎５の径変化との関係を、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は横軸を時間、縦軸をトマト１の茎径［mm］及びひずみ測定センサ１１の測定値［με］として、両者の関係を示す図であり、図９は、横軸を茎径［mm］、縦軸をひずみ測定センサ１１の測定値［με］とし、さらに、測定開始日からの経過日数をパラメータとして、両者の関係を示す図である。
【００４４】
この実験では、茎径が8mm弱に育ったものを使用し、茎径は、第一葉柄よりやや下の主径の適当な位置で差動トランスを利用した変位センサによる接触法により測定した。水ストレス評価装置１０のひずみ測定センサ１１は、上記変位センサに近い場所の主径に5,000μεの初期テンションをかけた状態で設置した。また、ひずみ測定センサ１１を巻き付けた最初のひずみ値をゼロとし、それ以降の変化量を測定した。両者とも５分ごとに測定を行い、５日間の変遷を測定した。
【００４５】
また、被測定物であるトマト１は、研究室内で栽培しているものであり、メタルハライドランプにより光を照射する時間を制御するようにした。具体的には、午前６時〜午後６時にライトをつけて光を照射し、午後６時〜午前６時はライトを消すように制御した。また、毎日午前９時２５分に約200mlの養液を自動的に給液するようにした。
【００４６】
図８に示すように、間接的に茎５のひずみを測定するひずみ測定センサ１１の測定値が茎５の径と高い相関があることが分かる。このことも、水ストレス評価装置１０の測定により、植物の水ストレスの度合いを適切に評価できることを示唆している。
【００４７】
また、トマト１に光が当たり始める午前６時以降、茎径が減少し続け、それは給液が開始されるまで続く。これは、茎５内の水分が光合成に使用されて減少するためである。そして、午前９時２５分の給液により、茎径が増加し始め、ほぼ元の太さまで回復している。
【００４８】
図９において、菱形でプロットした線が２日目の結果、四角でプロットしたのが３日目の結果、三角でプロットしたのが４日目の結果、丸でプロットしたのが５日目の結果である。なお、測定１日目については、茎径の変化が十分に大きくないことから割愛した。
【００４９】
同図に示すように、２日目以降の茎径が減少する過程においては、茎径変化に対する測定ひずみ値変化が曲線を描いているのがわかる。一方、給液後の茎径増加過程においては、茎径が減少する過程でたどった行程と同じ逆向きの行程をとらない（ヒステリシスを描く）ことがわかる。
【００５０】
これは、急激に径が増加することが原因で起こるミスマッチであり、茎５に張りついた帯状ゴム１２が均一に伸びるのに時間がかかるためであると思われる。しかしながら、１時間程度で茎径と茎ひずみ茎径の関係は、元の状態に戻ることが確認されているため、茎径の変化が減少する過程を評価することに対しては特に問題はない。
【００５１】
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態によれば、安価な帯状ゴム１２とひずみゲージ１５からなる簡易な構成により植物の水ストレスを適切に評価することができる。また、本実施形態では、茎５の周囲に直接ひずみ測定センサ１１を巻き付けており、茎が生長した場合にセンサも一緒に移動するため、測定位置がずれることなく、正確な測定を継続させることができる。
【００５２】
また、本実施形態では、茎５の周囲に巻き付けた帯状ゴム１２のひずみを測定、すなわち茎５の周方向のひずみ積分値を測定しており、茎５周りの一部のみが収縮した場合でも検知することが可能であり、水ストレスを適切に評価することが可能である。
【００５３】
また、市販されるひずみゲージの多くは、2％（20,000με）までのひずみを測定できるものであり、植物の水ストレスによる茎径変化は2％を超えることがあり得る。したがって、一般的なひずみゲージでは、茎５の周方向ひずみを直接測定できなくなるおそれがある。これに対して、本実施形態では、帯状ゴム１２を介して間接的に茎５の周方向のひずみを測定することで、直接茎５のひずみを直接測定する場合と比較して、測定されるひずみ値が10分の1程度の値となっており、安価な一般的なひずみゲージで十分に計測可能である。
【００５４】
また、本実施形態に係るひずみ測定センサ１１は、容易に脱着可能であり、繰り返し使用したり、ひずみ値が大きくなった場合にはいったん取り外して帯状ゴム１２の初期テンションを再調整したりすることができ、非常に経済的である。
【００５５】
続いて、本実施形態の変形例１について、図１０乃至図１３を参照しながら説明する。ひずみ測定センサ１１は、温度変化によっても測定値に変化が生じてしまう。よって、本変形例１では、温度変化によりひずみ測定への悪影響を取り除くように構成したことを特徴としている。なお、この温度補正は、データロガー２５から測定ひずみ値を取り込んだＰＣ３０において行われる。
【００５６】
図１０は、変形例１に係るひずみ測定センサの温度変化による測定ひずみ値への影響（ここでは、熱出力とする）を定量的に示す図であり、横軸がひずみ測定ゲージの初期テンション［με］、縦軸が熱出力を示している。図１１乃至図１３は、変形例１に係る温度補正後の測定ひずみ値と水ポテンシャルとの相関を示す図である。ここで、本変形例１においても、ひずみゲージ１５として、大ひずみゲージだけでなく、共和電業社製のプラスチック用ひずみゲージ（KFP）を用いた計測も行った。
【００５７】
図１１及び図１２がプラスチック用ひずみゲージによる測定結果であり、図１３が大ひずみゲージによる測定結果を示している。また、図１１が給水小区のトマトに関する図、図１２及び図１３が通常給水区のトマトに関する図である。
【００５８】
図１０の実験では、銅合金製円柱にひずみ測定センサ１１を取り付けた物を、50℃に温めた熱容量の十分なお湯の中に入れ、氷を少量ずつ加えながらかき混ぜてゆっくりと10℃まで水の温度を下げたときの、帯状ゴム１２の温度と測定ひずみ値の測定結果から導き出される熱出力（με/℃：1℃変化した場合に変化するひずみ値）を求めている。
【００５９】
また、本実験では、ひずみ測定センサ１１を銅合金製円柱に巻き付ける際の初期テンションを順次変更しながら熱出力を測定した。なお、温度変化に対する測定ひずみ値の変化は全ての実験において線形で表された。図１０では、横軸が初期テンション［με］、縦軸が熱出力［με/℃］を示している。
【００６０】
同図に示すように、ひずみ測定センサ１１の初期テンションと熱出力とは線形関係にあることが分かる。また、初期テンションは、ひずみ測定センサ１１の取り付け時に測定可能である。したがって、本変形例１では、上述した図５乃至図７に示した測定ひずみ値に対して、初期テンションに相当する熱出力に基づいて温度補正を行うことで、温度変化によるひずみ測定値への影響を除外するようにしている。
【００６１】
図１１乃至図１３に示すように、本変形例１による温度補正を行うと、図５乃至図７に示した測定値をそのままプロットした場合と比べて、補正ひずみ値と葉の水ポテンシャルとの相関が高くなっている。具体的には、図１１に示す給水小区では、決定係数が補正前の0.5535から0.6688に、図１２に示す通常給水区でも、決定係数が補正前の0.6605から0.8180に、図１３に示す通常給水区でも、決定係数が補正前の0.3592から0.7445と高くなっており、本変形例１による温度補正を行うことで、水ストレス評価装置１０の測定により、植物の水ストレスの度合いをより適切に評価することができることが分かり、特に、大ひずみゲージを用いる場合には、温度補正による効果が多大である。
【００６２】
続いて、本実施形態の変形例２について、説明する。上記変形例１では、補正式を用いた計算により温度補正を行ったが、本変形例２では、温度補正手段としての温度補正用のひずみ測定センサを、測定条件が同じとなるようにひずみ測定センサ１１の側に設置し、この温度補正用ひずみ測定センサの出力値を用いて温度補正することを特徴としている。
【００６３】
ひずみ測定センサ１１の側に設置される補正用ひずみ測定センサは、温度が変化しても茎５と比較してほとんど径が変化しない円柱体（例えば、金属製）に、ひずみ測定センサ１１と同じ初期テンションで取り付けられる。そうすると、補正用ひずみ測定センサの測定値は、温度や湿度等の環境変化にのみ起因して変化したひずみ値を表すことになる。
【００６４】
そして、ひずみ測定センサ１１の測定ひずみ値から、補正用ひずみ測定センサの環境変化分のひずみ値を引き算することで、温度変化だけでなく、湿度変化等を含む環境変化によるひずみ値の変化分を取り除く外乱補正を行うことができる。加えて、本変形例１では、温度補正のための複雑な計算器等が必要無く、低コストでリアルタイムに外乱補正（温度補正を含む）を行うことが可能である。
【００６５】
続いて、本実施形態の変形例３について、図１４を参照しながら説明する。本変形例３では、水ストレス評価装置１０を用いて自動的に給液制御を行う植物工場を構成した。図１４は、変形例３に係る植物工場の構成を概略的に示す模式図である。
【００６６】
同図に示すように、本変形例３に係る植物工場は、ビニールハウスの中でトマト１を栽培するための工場であり、水ストレス評価装置１０を構成するひずみ測定センサ１１、リード線２０、データロガー２５及びＰＣ３０に加えて、給液管６０、バルブ６１、制御用ＤＩＯボード６５を備えている。
【００６７】
本植物工場においては、ひずみ測定センサ１１の測定値に基づき、糖度が高いトマトを収穫でき、且つ、所望の収穫量を確保できるように、バルブ６１の開閉が制御される。本変形例３によれば、ひずみ測定センサ１１のひずみ測定値からトマト１の適切な水ストレスを評価することができ、この評価に基づき給液のタイミング及び量を自動的に制御することで、生産量の制御や、糖度等の果実品質の安定を実現することができる。
【００６８】
なお、以上、変形例を含めて本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は上述した形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、植物としてトマトを対象にしたが、ぶどうなどの他の植物も適宜対象とすることができる。また、植物には木が含まれ、本明細書において茎には木の幹が含まれる。
【００６９】
なお、上述したように、ひずみ測定センサは、温度や湿度等の影響を受けやすいため、本発明の測定対象となる植物は、土耕栽培や家庭菜園等の露地栽培ではない、外と仕切られ、外部からの雨等の水の浸入がない栽培地（ガラスハウス、パイプハウス等）で栽培されている植物であることが望ましいが、露地栽培においても使用することはできる。
【００７０】
また、上記実施形態では、茎に巻き付ける弾性体として帯状ゴムを例に挙げて説明したが、茎の周方向のひずみを間接的に測定できる弾性体であれば、適宜他の形状や材料の物を用いることができる。
【００７１】
また、上記実施形態においては、ゴムシートに大ひずみゲージを接着した場合について述べているが、これに代えて、接着可能な特定材料専用のひずみゲージを使用してもよい。また、ゴムシートの留め具として、市販されているダブルクリップを用いた場合について述べているが、これに代えて、他の道具を用いて留めてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
５ 茎
１０ 水ストレス評価装置
１１ ひずみ測定センサ
１２ 帯状ゴム
１５ ひずみゲージ
１８ クリップ
２０ リード線
２５ データロガー
３０ ＰＣ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物の水ストレスを評価する水ストレス評価装置において、
植物の茎に巻き付けられる弾性体と、この弾性体に固定されたひずみゲージとを有するひずみ測定センサを備えることを特徴とする水ストレス評価装置。
【請求項２】
前記ひずみ測定センサは、引き伸ばした状態で茎に巻き付けられることを特徴とする請求項１記載の水ストレス評価装置。
【請求項３】
前記ひずみゲージは、前記弾性体の前記茎周り方向のひずみを測定するように、前記弾性体に固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水ストレス評価装置。
【請求項４】
前記ひずみ測定センサの出力に対して、少なくとも温度補正処理を行う外乱補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の水ストレス評価装置。
【請求項５】
植物の水ストレスを評価する水ストレス評価方法において、
ひずみゲージが固定された弾性体を植物の茎に巻き付けて、前記ひずみゲージにより前記弾性体を介して茎の周方向のひずみを間接的に測定することで、植物の水ストレスを評価することを特徴とする水ストレス評価方法。
【請求項１】
植物の水ストレスを評価する水ストレス評価装置において、
植物の茎に巻き付けられる弾性体と、この弾性体に固定されたひずみゲージとを有するひずみ測定センサを備えることを特徴とする水ストレス評価装置。
【請求項２】
前記ひずみ測定センサは、引き伸ばした状態で茎に巻き付けられることを特徴とする請求項１記載の水ストレス評価装置。
【請求項３】
前記ひずみゲージは、前記弾性体の前記茎周り方向のひずみを測定するように、前記弾性体に固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水ストレス評価装置。
【請求項４】
前記ひずみ測定センサの出力に対して、少なくとも温度補正処理を行う外乱補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の水ストレス評価装置。
【請求項５】
植物の水ストレスを評価する水ストレス評価方法において、
ひずみゲージが固定された弾性体を植物の茎に巻き付けて、前記ひずみゲージにより前記弾性体を介して茎の周方向のひずみを間接的に測定することで、植物の水ストレスを評価することを特徴とする水ストレス評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１３７３５４（Ｐ２０１２−１３７３５４Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８９２８２（Ｐ２０１０−２８９２８２）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（５９２１３４５８３）愛媛県 (53)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（５９２１３４５８３）愛媛県 (53)
【Ｆターム（参考）】
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