JP2018201353A

JP2018201353A - 水耕養液の調製方法及び水耕栽培方法

Info

Publication number: JP2018201353A
Application number: JP2017107513A
Authority: JP
Inventors: 義孝河尻; Yoshitaka Kawashiri; 吉澤　秀治; Hideji Yoshizawa; 秀治吉澤
Original assignee: Hinomaru Carbotechno Co Ltd
Current assignee: Hinomaru Carbotechno Co Ltd
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】水耕栽培における栽培効率の向上、ランニングコストの低減が可能な水耕養液の調製方法、水耕栽培方法を提供する。【解決手段】水に有機質肥料及び硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を介在させ、硝化菌の作用により有機質肥料から排出されるアンモニウムイオンを硝酸イオンに硝化させてアンモニウムイオン濃度が低減された水耕養液を調製する。水耕栽培方法では、水耕養液の調製方法によって調製された水耕養液を植物が配置された栽培棚に供給し、植物を栽培する。【選択図】図１

Description

本発明は、水耕養液の調製方法及び水耕栽培方法に関する。

現在、野菜等の植物の栽培方法として、季節や天候の影響を受けず、安定した栽培が可能な水耕栽培が注目されている。水耕栽培では、肥料を含有する水耕養液が用いられる。

通常、水耕養液では、栽培の容易性や栽培コスト等の観点から、一般的に化成肥料が用いられている。一方で、健康志向や食の安全性の要求などから、有機質肥料による水耕栽培も求められている。

有機質肥料を用いる場合、水耕養液には有機質肥料からアンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）が排出される。このＮＨ_４ ^＋は植物の成長の阻害要因となる。このため、水耕養液中のＮＨ_４ ^＋を低減させて使用する必要がある。有機質肥料を用いた水耕栽培として、例えば、非特許文献１の方法が知られている。

非特許文献１では、水に有機質肥料と土壌とを加えて曝気し、水中微生物生態系を構築し、微生物（硝化菌）によりＮＨ_４ ^＋をＮＯ_３ ⁻に硝化させ、ＮＨ_４ ^＋濃度を１０ｍｇ／Ｌ以下に調製した水耕養液を水耕栽培に使用している。

「有機質肥料活用型養液栽培マニュアル（第１版）」、国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構、２０１４年６月１６日

非特許文献１では、ＮＨ_４ ^＋をＮＯ_３ ⁻に硝化する期間が凡そ１ヶ月と長期間を要する。調製期間中は水耕栽培ができなくなってしまうので栽培効率がよいとは言えない。また、水耕養液の調製に時間がかかればそれだけコストも高くなってしまうので、水耕栽培におけるランニングコストも高くなってしまう。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水耕栽培における栽培効率の向上、ランニングコストの低減が可能な水耕養液の調製方法及び水耕栽培方法を提供することにある。

本発明の第１の観点に係る水耕養液の調製方法は、
水に有機質肥料及び硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を介在させ、前記硝化菌の作用により前記有機質肥料から排出されるアンモニウムイオンを硝酸イオンに硝化させてアンモニウムイオン濃度が低減された水耕養液を調製する、
ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る水耕栽培方法は、
本発明の第１の観点に係る水耕養液の調製方法によって調製された水耕養液を植物が配置された栽培棚に供給し、前記植物を栽培する、
ことを特徴とする。

また、前記植物の栽培期間中に前記水耕養液に有機質肥料を追肥してもよい。

また、前記栽培棚と前記水耕養液が貯留される水耕養液タンクとで前記水耕養液を循環させ、
前記水耕養液タンクに硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を配置してもよい。

また、前記栽培棚と前記水耕養液が貯留される水耕養液タンクとで前記水耕養液を循環させ、
前記栽培棚に硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を配置してもよい。

本発明に係る水耕養液の調製方法では、水耕養液中におけるＮＨ^４＋のＮＯ_３ ⁻への変換期間を短縮することができるので、水耕栽培における栽培効率の向上、ランニングコストの低減が可能である。

水耕栽培装置の概略構成図である。水耕養液調製時におけるＮＨ_４ ^＋濃度の経時変化を示すグラフである。水耕養液調製時におけるＮＯ_３ ⁻濃度の経時変化を示すグラフである。追肥有り系及び追肥無し系の水耕養液中のＮＨ_４ ^＋濃度の経時変化を示すグラフである。追肥有り系及び追肥無し系の水耕養液中のＮＯ_３ ⁻濃度の経時変化を示すグラフである。化成肥料系の水耕養液中のＮＯ_３ ⁻濃度の経時変化を示すグラフである。育成したリーフレタスの葉長及び葉重を示すグラフである。育成したリーフレタスの成分分析結果を示すグラフである。

（水耕養液の調製方法）
本実施の形態に係る水耕養液の調製方法は、水に有機質肥料及び硝化菌担持する硝化菌担持炭化物を介在させ、硝化菌の作用によって有機質肥料から排出されるアンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）を硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）に硝化させ、アンモニウムイオン濃度を低減させることにより、水耕養液を調製する。

硝化菌担持炭化物には、硝化菌が豊富に担持されていることから、有機質肥料から排出されるＮＨ_４ ^＋の硝化が効率的に行われるので、短い時間でＮＨ^４＋濃度が低く、水耕栽培に使用可能な水耕養液の調製を可能にしている。

水耕養液の調製方法では、硝化菌の作用を促進すべく曝気をしながら行う。曝気は、水耕養液中のＮＨ_４ ^＋濃度が十分に低減するまで行えばよく、例えば、ＮＨ_４ ^＋濃度が１０ｐｐｍ以下になるまで行えばよい。

硝化菌担持炭化物は、例えば、以下のようにして得られたものを用いる。水に有機質肥料、牛糞堆肥や土壌等の硝化菌が媒介する微生物源、及び、炭化物を投入し、曝気する。硝化菌は、足場となる炭化物に定着しつつ、有機質肥料から排出されるＮＨ_４ ^＋を基質として繁殖していく。これにより、硝化菌が炭化物に豊富に担持された硝化菌担持炭化物が得られる。

このように、硝化菌が担持された硝化菌担持炭化物を用いることにより、豊富な硝化菌の存在によって有機質肥料から排出されたＮＨ_４ ^＋のＮＯ_３ ⁻への硝化が速やかに行われる。したがって、短い処理時間でＮＨ_４ ^＋濃度が低減された水耕養液を調製することができる。

炭化物としては、木質系物質を炭化処理したものが挙げられる。具体的な炭化物の例として、例えば、竹を６００〜６５０℃で炭化処理を行って得られた炭化物が挙げられる。用いる炭化物は粒径が小さいほど比表面積が大きくなり、硝化菌の足場が増えるので、小さい方が好ましい。炭化物の粒径は、例えば、０．５〜５ｍｍであることが好ましい。

また、用いる有機質肥料は特に制限されず、有機質の肥料として機能するものであればよく、例えば、かつお節の製造工程で出る煮汁を煮熟したものなどが挙げられる。また、カキ殻やフルボ酸、ケイ素などの添加物を加えて調製してもよい。

（水耕栽培方法）
水耕栽培方法は、上述した水耕養液の調製方法によって得られた水耕養液を用いて植物の水耕栽培を行う方法である。水耕栽培方法は、例えば、図１に示すように、植物が配置される栽培棚１０と、水耕養液タンク２０と、ポンプ３０と、循環流路４０を備える水耕栽培装置１を用いて行うことができる。

栽培棚１０には、栽培を行う種々の植物が配置される。水耕養液タンク２０には、上述した水耕養液の調製方法により調製された水耕養液が貯留される。ポンプ３０は、循環流路４０を通じ、矢印にて示すように、水耕養液タンク２０から栽培棚１０へ、栽培棚１０から水耕養液タンク２０へと水耕養液を循環させる。

なお、植物の栽培中、上述した有機質肥料を定期的または非定期的に追肥してもよい。有機質肥料の追肥は、有機質肥料を水耕養液タンク２０に投入することで行い得る。追肥により、植物の育成がより促進されることになる。

また、水耕養液タンク２０には、上述した硝化菌担持炭化物が配置されていてもよい。また、栽培棚１０には、上述した硝化菌担持炭化物が敷設されていてもよい。追肥する場合、水耕養液には有機質肥料からＮＨ_４ ^＋が排出されるが、水耕養液タンク２０や栽培棚１０に硝化菌担持炭化物が配置されていれば、排出されたＮＨ_４ ^＋が硝化菌の作用で硝化され、ＮＨ_４ ^＋濃度を低減することができる。

以上のように、本実施の形態に係る水耕養液の調製方法では、短い期間でＮＨ_４ ^＋濃度が低減された水耕養液を調製することができ、この水耕養液を用いた水耕栽培方法により、栽培効率の向上、ランニングコストの低減を実現できる。

また、有機質肥料を含有する水耕養液では、化成肥料を含有する水耕養液に比べ、養液中のＮＯ_３ ⁻濃度が非常に低いため、作物中に取り込まれるＮＯ_３ ⁻も少なくなるが、後述の実施例に示すように、化成肥料と同等の十分な成長が見られる。そして、有機質肥料を含有する水耕養液で育成した作物では、硝酸態窒素濃度が化成肥料を用いた場合に比べ、非常に低くなる。硝酸態窒素はヒトが過剰に摂取すると、メトヘモグロビン血症や乳幼児突然死症候群を引き起こす。ＥＵでは作物中の硝酸態窒素の規制値（７０ｍｇ／１００ｇ）があることから、食の安全面から作物中の硝酸態窒素の濃度が低いことが望ましい。本実施の形態に係る水耕栽培方法では、有機質肥料を含有する水耕養液を用いており、低硝酸態窒素濃度である機能性野菜等の栽培が可能であり、安全面にも優れた作物を提供することができる。

（実施例１）
有機質肥料を含有する水耕養液を調製し、水耕養液中のＮＨ_４ ^＋の低減効果の検証を行った。

水耕養液タンクに水３０Ｌ、有機質肥料３０ｇ、牛糞堆肥１５０ｇ、炭化物１ｋｇを投入した。牛糞堆肥は拡散しないよう網に入れて投入した。そして、３００ｍＬ／分の条件で常時曝気し、水耕養液を調製した。

炭化物として、６００〜６５０℃で炭化したモウソウ竹炭（有限会社ガープ製）を使用した。炭化物は粉砕して粒径１〜４ｍｍとし、水で洗浄してから使用した。また、有機質肥料として、鰹ソリュブル（枕崎産鰹煮汁、枕崎水産加工業協同組合製）を使用した。この鰹ソリュブルは、かつお節の製造工程（煮熟工程）で出る煮汁を９０℃以上で２時間煮熟したものである。また、牛糞堆肥として、有限会社國分農場製のグリーントップ（商品名）を使用した。

水耕養液の調整中、経時的に水耕養液中のＮＨ_４ ^＋濃度及びＮＯ_３ ⁻濃度を測定した。この調製した水耕養液を水耕養液Ａ（炭化物を使用した系）と記す。

更に、炭化物の代わりに、上記水耕養液Ａの調製の際に得られた硝化菌担持炭化物を使用する以外、上記と同様にして水耕養液の調製を行った。この調製した水耕養液を水耕養液Ｂ（硝化菌担持炭化物を使用した系）と記す。

また、炭化物を投入しない以外、上記と同様にして水耕養液の調製を行った。この調製した水耕養液を水耕養液Ｃ（炭化物未使用の系）と記す。

それぞれの水耕養液中のＮＨ_４ ^＋濃度及びＮＯ_３ ⁻濃度の経時変化を図２及び図３にそれぞれ示す。

ＮＨ_４ ^＋濃度について、水耕養液Ａ（炭化物を使用した系）では、１５日目で約５ｐｐｍとなった。また、水耕養液Ｂ（微生物担持炭化物を使用した系）では、１０日でＮＨ_４ ^＋濃度が５ｐｐｍとなった。また、水耕養液Ｃ（炭化物未使用の系）では、７日目以降、時間経過とともに２４日目まで徐々に低下し、５ｐｐｍを下回るまでに２７日要した。

ＮＯ_３ ⁻濃度については、水耕養液Ａ（炭化物を使用した系）では、１１日目に１００ｐｐｍを超えている。また、水耕養液Ｂ（微生物担持炭化物を使用した系）では、２日目で１００ｐｐｍに達した。また、水耕養液Ｃ（炭化物未使用の系）では徐々に増加しているものの、１００ｐｐｍを超えるまでに２４日要している。

なお、ＮＨ_４ ^＋濃度とＮＯ_３ ⁻濃度の双方が同時期に増加している場合が見られ、ＮＨ_４ ^＋の生成と硝化菌の作用によるＮＯ_３ ⁻の生成によるＮＨ_４ ^＋の減少が進行していることを示している。

以上の実験から、硝化菌担持炭化物を用いて有機質肥料を含有する水耕養液を調製することで、有機質肥料から排出されるＮＨ^４＋をＮＯ_３ ⁻に変換し、ＮＨ^４＋濃度が低減された水耕養液を短い期間で調製可能であることを立証した。

（実施例２）
実施例１で調製した水耕養液を使用し、植物の水耕栽培を行い、作物の育成評価を行った。

（植物の栽培手法）
リーフレタス（株式会社サカタのタネ）の育苗および栽培棚での育成は、恒温恒湿室内にて、温度２０℃、湿度５５％、照度１０，０００〜１１，０００ｌｕｘｌ（１６時間／１日）の条件にて行った。

まず、リーフレタスの種を育苗容器にて蒸留水を与え、２週間育苗を行った。これを栽培棚（株式会社アルミス製の水耕栽培キット（長さ１３０ｃｍ、幅５ｃｍ、深さ６ｃｍ、２列×３段））に移し、３週間育成した。育成には、実施例１で調製したＮＯ_３ ⁻濃度１００ｐｐｍ前後の水耕養液を用いた。以下、これを追肥無し系と記す。

また、育成期間中、有機質肥料の追肥を行う以外、上記と同様に育苗、育成を行った。追肥は二日おきに、水耕養液３０Ｌに対して２ｇを投与した。また、追肥を行った系では、栽培棚に微生物担持炭化物を敷き詰めて行った。以下、これを追肥有り系と記す。

また、上記の水耕養液にかえ、水に化成肥料を添加して調製した水耕養液を用いる以外、上記と同様に育苗、育成を行った。化成肥料として、大塚ハウス１号及び２号（いずれも商品名、株式会社大塚化学製）を使用した。なお、化成肥料の濃度は、大塚ハウス１号及び２号の指定標準濃度として調製した。以下、これを化成肥料系と記す。

（水耕養液中のＮＨ_４ ^＋濃度及びＮＯ_３ ⁻濃度の経時変化）
育成期間中、水耕養液のＮＨ_４ ^＋濃度及びＮＯ_３ ⁻濃度を測定した。追肥有り系及び追肥無し系における育成期間中の水耕養液のＮＨ_４ ^＋濃度を図４に示す。追肥無し系では、ＮＨ_４ ^＋濃度は単調に減少し、１４日目にはほぼ０ｐｐｍになっており、１４日目以降も０〜０．３ｐｐｍ程度と低い値を示した。追肥無し系では、水耕養液中にてＮＨ_４ ^＋の新たな生成はほぼないことが示されている。

一方、追肥有り系では、８日目まで減少し、８日目以降は約１．５ｐｐｍ程度で推移している。追肥有り系では、追肥された有機質肥料から排出されるＮＨ_４ ^＋がＮＯ_３ ⁻に硝化するものの、硝化しきれないＮＨ_４ ^＋の濃度は約１．５ｐｐｍ前後であった。

追肥有り系及び追肥無し系における育成期間中の水耕養液のＮＯ_３ ^ー濃度を図５に、化成肥料系における育成期間中の水耕養液のＮＯ_３ ⁻濃度を図６に示す。追肥有り系においては、ＮＯ_３ ⁻濃度は１５日目まで６０〜８０ｐｐｍに保たれていた。その後、ＮＯ_３ ⁻濃度は減少したが、これは植物の成長段階が変わり、ＮＯ_３ ⁻の必要量が多くなったためと考えられる。一方、追肥無し系においては、ＮＯ_３ ⁻濃度は単調に減少し、１４日後には１０ｐｐｍ程度になった。また、化成肥料系では、ＮＯ_３ ⁻濃度は９００ｐｐｍから徐々に低下し、２１日目では約８００ｐｐｍに低下していた。

（作物の育成評価）
追肥有り系、追肥無し系、化成肥料系で育成したリーフレタス地上部の長さ（葉長）、重さ（葉重）を図７に示す。リーフレタス地上部の長さは追肥有り系、追肥無し系、化成肥料系のいずれにおいても２０ｃｍ弱であった。リーフレタスの重さについては、追肥有り系及び追肥無し系のレタスは、化成肥料系のリーフレタスより重かった。そして、追肥有り系のリーフレタスの重量は、追肥無し系に比べ、更に６％程度増加していた。

（作物の成分分析）
追肥有り系、追肥無し系、化成肥料系で育成したリーフレタス地上部の成分分析結果を図８に示す。ビタミンＣは全ての試験区で約２０ｍｇ／１００ｇとほぼ同じ結果となった。また、糖度についても、追肥有り系、追肥無し系、化成肥料系のいずれも５％前後となった。

硝酸態窒素濃度は有機質肥料養液（追肥有り系、追肥無し系）で育成を行うことにより、化成肥料系に対して大幅に削減出来た。硝酸態窒素濃度は、追肥有り系では、化成肥料系の１／３程度まで低下したが、更に追肥無し系では１／２０まで濃度が低下した。これは、今回用いた化成肥料の指定標準濃度の水耕養液では、ＮＯ_３ ⁻濃度は初期濃度が９００ｐｐｍと高濃度のためレタス地上部に含まれるＮＯ_３ ⁻濃度が高くなったと考えられる。一方、追肥有り系及び追肥無し系の水耕養液中のＮＯ_３ ⁻濃度は、前述のように、化成肥料系の水耕養液中のＮＯ_３ ⁻濃度に比べて非常に低いため、リーフレタス地上部でのＮＯ_３ ⁻濃度が低くなったと考えられる。ＮＯ_３ ⁻を過剰に摂取すると人体に有毒なため、有機質肥料を用いた水耕栽培によって育成された作物の大きな利点と言える。

また、Ｌ−グルタミン酸濃度も有機質肥料（追肥有り系、追肥無し系）で育成することにより、化成肥料系に比べて濃度が低下した。これは、各水耕養液に含まれているＮＯ_３ ⁻濃度がリーフレタスに含まれる硝酸態窒素と関係しているためと考えられる。Ｌ−グルタミン酸は作物中の硝酸態窒素を使い生成されるため、硝酸態窒素の量に応じて減少したと考えられる。

１水耕栽培装置
１０栽培棚
２０水耕養液タンク
３０ポンプ
４０循環流路

Claims

水に有機質肥料及び硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を介在させ、前記硝化菌の作用により前記有機質肥料から排出されるアンモニウムイオンを硝酸イオンに硝化させてアンモニウムイオン濃度が低減された水耕養液を調製する、
ことを特徴とする水耕養液の調製方法。
請求項１に記載の水耕養液の調製方法によって調製された水耕養液を植物が配置された栽培棚に供給し、前記植物を栽培する、
ことを特徴とする水耕栽培方法。
前記植物の栽培期間中に前記水耕養液に有機質肥料を追肥する、
ことを特徴とする請求項２に記載の水耕栽培方法。
前記栽培棚と前記水耕養液が貯留される水耕養液タンクとで前記水耕養液を循環させ、
前記水耕養液タンクに硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を配置する、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の水耕栽培方法。
前記栽培棚と前記水耕養液が貯留される水耕養液タンクとで前記水耕養液を循環させ、
前記栽培棚に硝化菌を担持する硝化菌担持炭化物を配置する、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の水耕栽培方法。