葉緑素計とは
葉緑素計とは、簡便かつ非破壊的に葉緑素の濃度を推定する機器です。
現代農業において、収量増加、環境保全、コスト削減は重要な課題であり、適切な窒素施肥が必要になります。窒素施肥を適切に行うためには、作物の栄養状態を把握しなければなりません。
葉緑素は植物の光合成を担う色素で、一般に窒素含量が多くなると増加する性質があり、葉の緑色も濃くなります。したがって、葉緑素濃度を測定すれば作物の栄養状態を確認できます。
葉緑素計の使用用途
葉緑素計は、稲 (水稲) の圃場管理に主に使用されています。「葉の幅が2mm以上」「測定部で挟める厚さの生葉であること」「葉緑素計で使用されている光源の光をある程度透過できること」の3つが測定条件です。
そのため、農作物全般に使用できます。測定可能な植物は、稲をはじめとした穀類や綿花、野菜や果物などのほか、観葉植物や緑化樹木など多岐にわたります。
また、葉緑素計は、携帯可能なサイズのため、圃場で生きたままの作物の葉を直接測定し、品質向上や収量増加のための施肥管理に活用されています。
葉緑素計の原理
1. 葉緑素の光吸収特性
葉緑素が吸収する光のピークは、一般に、400nm～500nmの青色域と600nm～700nmの赤色域にあります。カロチノイド色素など他の色素の吸収波長も青色域にあり、ピークが同じ領域になります。一方、700nm以上の赤外領域の光は、どの色素にもほとんど吸収されません。
2. SPAD値
SPAD値とは、葉緑素が葉緑素計から照射される赤色域の光を吸収する割合を示す値です。葉緑素計では、葉緑素の光特性を利用して、ピーク波長が650nm付近の赤色領域の光と、940nm付近の赤外領域の光を試料に交互に当てることで、光学濃度の差を測定しています。光学濃度は、光が吸収されて減少する度合いを対数で示した数値です。
葉緑素計の発光部には、ピーク波長が650nm付近の赤色域のLEDと940nm付近の赤外領域のLEDの2つの光源が内蔵されています。そして、試料を透過した光は受光素子で光電変換により電気に変換され、光学濃度が測定されます。測定された光学濃度の差をもとに、赤色域のLEDからの光が葉緑素により吸収される度合いを示す数値「SPAD値」が算出可能です。
SPAD値は、葉身の葉緑素濃度と強い線形の相関があることが確認されており、試料中の葉緑素濃度の指標になります。SPAD値の名称は、前述の土壌・作物体分析機器開発事業 (SPAD) に由来しています。
葉緑素系のその他情報
1. 葉緑素計を使用する際の注意点
葉緑素計は簡単に葉緑素の量を測定できますが、測定できる葉のサイズには制限があります。葉の面積が縦2mm、横3mmよりも小さい場合は測定できません。測定可能な葉の厚みは1.2mmまでであり、葉に厚みがある植物は測定できません。また、葉脈が多い葉は場所によって数値がバラつくため、複数箇所を測定し、それらの平均値の使用が推奨されています。
2. 葉緑素計以外の葉緑素の測定方法
葉に含まれる葉緑素量の測り方は、葉緑素計以外では、葉緑素を薬品により抽出して、分光光度計で測定する方法が一般的です。この場合、抽出したい葉緑素がどこに含まれるかによって抽出方法が異なります。抽出に使う薬品は、アセトンやメタノールやジメチルホルムアミドなどです。葉をそのまま使用してクロロフィルを抽出する場合は、ジメチルホルムアミドを使用します。
これらの測定方法の場合、方法に応じて葉を細かく刻む作業や一定期間薬品に浸す作業が必要です。つまり、葉などのサンプルは、樹木や植物体から葉を採取して葉緑素の測定のみに使用されます。そのため、これらの方法と比較すると、葉緑素計は「非破壊的」に葉緑素を測定可能といえます。
3. 葉緑素計の活用事例
葉緑素計は農業分野で幅広く利用されており、畑や水田に生育している植物体をそのまま測定できるため、収穫や追肥のタイミングの判断に活用されています。例えば、植物体の窒素含有量と葉緑素の含有量の相関関係を利用して、稲の栄養状態を把握するために葉緑素計が活用されています。つまり、従来サンプルを採取し、前処理をした上で分析にかけなければ分からなかった値が、現場で簡単に測定できるようになりました。
また、代表的な葉緑素 (クロロフィル) を測るだけではなく、β-カロテン含量の測定にも活用されています。ウシの飼料となるイネを栄養価が高い時期に収穫して与えれば、効率的な肥育管理が可能です。葉緑素計を利用すれば、これまで、目視などの個人の判断に頼っていた部分をブレなく判断でき、より効率的に作物を育成できます。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/cssjchugoku/32/0/32_KJ00002444042/_pdf
https://ocw.kyoto-u.ac.jp/ja/faculty-of-agriculture-jp/010-001/pdf/1.pdf
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