光合成三要素光と水と二酸化炭素温度環境条件

光合成三要素光と水と二酸化炭素

光合成三要素の現場チェックポイント

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光の量と質を見直す

光合成三要素のうち「光」は量だけでなく、光飽和点・光補償点や波長バランスまで意識すると、同じ日射量でも収量と品質が変わります。

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二酸化炭素と気流をセットで管理

CO₂は濃度だけでなく、気流による葉面への届け方が重要で、気孔や葉面境界層の抵抗を減らすことで同じ濃度でも光合成速度を高められます。

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水分管理と根の健全さ

「水」は単なる灌水量ではなく、根圏の酸素状態や無機養分吸収と一体で考えることで、葉の光合成能力と三要素のバランスを最適化できます。

このページの目次

光合成三要素光と水と二酸化炭素

光合成三要素光と水と二酸化炭素の基本

光合成三要素として現場でよく整理されるのが「光・水・二酸化炭素」であり、これらは太陽エネルギーを使って水とCO₂から糖を合成し、酸素を放出する一連の反応の材料とエネルギー源にあたります。いずれか一つでも不足すると光合成速度が頭打ちになり、葉色の薄化・生育停滞・果実肥大不良などが起こるため、三要素は「足し算」ではなく「最も足りない要素が全体を決める」という“樽の理論”的なイメージで管理すると理解しやすくなります。
農業現場では、露地では主に光と水、施設園芸ではそこに二酸化炭素濃度と温度・湿度・気流といった環境制御が加わり、光合成三要素が日射量やハウス構造と複雑に絡み合って収量と品質を左右します。特に施設では通風不足でCO₂がすぐに消費され、濃度が外気の半分程度まで下がると、十分な光があっても光合成がほぼ止まるケースがあり、「明るいのに太らない」株ではCO₂欠乏を疑うと原因に近づきやすくなります。

参考）農業用ハウスにおける地上部環境制御の活用～光・温度・湿度・C…

光合成三要素は「光・水・二酸化炭素」で、どれか一つの不足が全体のボトルネックになる。

施設園芸では光に加えてCO₂と温度・湿度・気流の管理が収量アップのカギとなる。

CO₂は外気を遮断したハウス内で急速に低下し、200ppm程度まで下がると光合成が停止レベルになる。

光合成の三要素を理解するためには、「植物の立場で経路をたどる」視点も役立ち、根から吸い上げた水と養分が茎を通って葉へ届き、葉面の気孔から入ったCO₂と合流して、葉緑体内で光エネルギーを受け取りながら糖へと変換されていく流れをイメージすると、どこに詰まりがあると光合成が落ちるのかが見えてきます。例えば根傷みで水が上がらなければ葉はしおれ、気孔も閉じてCO₂が入りにくくなるため、「水の問題」がいつの間にか「CO₂の問題」としても現れるなど、三要素は互いに影響し合うのが実際の栽培現場の姿です。

参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5264509/

光合成三要素の基本構成を整理した参考として、大学の講義資料では「光・水・二酸化炭素」を外部要因とし、その上に葉緑素量や葉の構造などの内部要因を重ねて説明しており、外部三要素だけをいくら整えても葉の状態が悪ければ期待した光合成速度に届かないことが示されています。そのため、三要素の管理と同時に、葉の健全さや葉面積指数（LAI）といった「受け皿側」の整備も意識することが、実務上は非常に重要になります。

参考）301 Moved Permanently

光合成三要素の基本と外部・内部要因の整理に役立つ大学講義資料（日本語PDF）の参考リンクです。

光合成に必要な要素と環境要因の講義資料

光合成三要素光の強さと光飽和点・光補償点

光合成三要素のうち「光」は、強ければ強いほど良いわけではなく、光の強さが一定以上になると光合成速度が頭打ちになる「光飽和点」と、暗さのために呼吸と光合成がちょうど釣り合う「光補償点」が存在します。光補償点より暗いと、光合成で作られる糖より呼吸で消費される糖の方が多くなり、植物体は“痩せていく一方”という見えない赤字状態になるため、最低でも光補償点を上回る日射を確保することが栽培の出発点と言えます。
一方、光飽和点を超えるほど強い光を当てても光合成速度はほとんど増えず、それどころか強光下では葉がダメージを受ける「高光阻害（フォトインヒビション）」が起こり、クロロフィルの分解や活性酸素の増加などを通じて光合成能力そのものが落ちることが知られています。このため、「どうせならとにかく明るく」という発想で高出力LEDやフィルムを導入すると、光飽和点を超えて電気代だけ増えたり、葉焼けで収量を落とすリスクがあり、作物ごとの光飽和点付近を狙う方が理にかなった投資になります。

参考）https://www.mdpi.com/2311-7524/8/7/644/pdf?version=1658624152

以下は代表的な作物の光飽和点の目安を整理した表です（環境条件や品種により変動する概数）。

作物	光飽和点のおおよその範囲（lx）	特徴
ほうれんそう	約20,000〜25,000	比較的弱い光でも光合成できる陰性寄りの葉菜。
トマト	約70,000	強光を好み、真夏の直射に近い光で飽和する果菜。
トウモロコシ	約100,000	極めて高い光飽和点を持つC4植物の代表例。
チンゲンサイなど葉菜	約50,000〜85,000	種類により幅が大きく、品目ごとの確認が重要。

光補償点より暗いと、見た目があまり変わらなくても内部的には糖が減り続ける赤字体質になる。

光飽和点を超えると光合成量は頭打ちになり、さらに強光では高光阻害で能力がむしろ低下する。

作物ごとに光飽和点が大きく異なるため、「野菜だからこのくらい」と一括りにせず、品目別に情報を集めることが重要。

意外なポイントとして、近年は「光の量」だけでなく「光の質」、つまり波長バランスが光合成三要素のうち光の使われ方を左右することが、LED栽培研究で詳しく示されています。たとえばレタスでは、従来は光合成有効放射（PAR）に含まれない遠赤色光（700〜800nm）を追加するとバイオマスと炭水化物蓄積が増える一方で、青色光の割合を増やすと栄養価が高まるなど、総量が同じでも波長を変えることで「量重視」「品質重視」の育て分けが可能になることが報告されています。

参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10699845/

また、室内栽培や植物工場では、平均的な照度だけでなく、ベッド全体での光強度とスペクトルの“ムラ”が一株ごとの生育差を生み、収量ロスや出荷調整コスト増の原因になることが指摘されています。 LED配置や反射板の工夫により、空間的な光分布を均一化すると、同じ消費電力でも群落全体の光合成量を引き上げられるため、「明るさの総量」だけでなく「どう分配されているか」を意識することが、これからの環境制御では重要な視点になります。

光飽和点や光補償点、光環境の整え方を詳しく知りたい場合に役立つ専門サイトの解説です。

野菜の光飽和点と光環境の基礎解説

光合成三要素二酸化炭素濃度とハウス環境制御

光合成三要素の一つである二酸化炭素は、大気中に約400ppm前後含まれていますが、ハウスを締め切った状態で晴天が続くと、作物がCO₂を吸収することで濃度が200ppm程度まで低下し、光と温度が十分でも光合成がほとんど進まない「隠れたCO₂欠乏」が起こります。このため、施設園芸では暖房期の換気やCO₂発生装置による追い炊きが重要な管理項目となり、外気導入と保温・CO₂供給のバランスをとることが収量アップの定石となっています。

一般的に、光飽和点付近の強光条件ではCO₂が律速要因になりやすく、濃度を外気レベルより高めることで光エネルギーを無駄にしないようにできる。

暖房のためにハウスを閉め切ると、数時間でCO₂が外気の半分程度まで低下し、光合成速度が大きく下がる。

CO₂施用は、日射が十分ある時間帯に絞って行うことで、投入コストに対する光合成量の増加を最大化できる。

CO₂は濃度だけでなく、「葉までどれだけ届くか」という視点が重要であり、葉の表面にまとわりつく薄い空気の層（葉面境界層）が厚いと、外気中のCO₂が十分にあっても葉面近くでは供給が滞り、見かけの濃度と実際に葉が感じている濃度にギャップが生じます。この葉面境界層は気流によって薄くできるため、ハウス内に緩やかな風を流すことで、同じCO₂濃度でも光合成速度を高め、蒸散や温度ムラの抑制にもつなげることが可能です。

参考）ハウス栽培における気流の重要性：光合成促進の観点から｜農業大…

さらに、CO₂濃度は葉の気孔開閉とも深く関係しており、高温多湿で蒸散が滞ると気孔が閉じてCO₂の取り込みが制限される一方で、適度な温度と飽差（VPD）が保たれていると気孔がよく開いて光合成が進みます。最近のスマート農業では、CO₂濃度だけでなく飽差や日射量を組み合わせて自動制御するシステムが普及しつつあり、「光合成三要素＋環境三要素（温度・湿度・気流）」を一体として最適化する設計が実用段階に入りつつあります。

参考）完全人工光型植物工場研究を通じたスマート農業の可能性

CO₂施用と環境制御が光合成と収量にどう効くかを、現場事例を交えて解説している資料です。

CO₂と気流を組み合わせた光合成最大化の方法

光合成三要素水分管理と根・葉のバランス

光合成三要素の一つである「水」は、光合成反応の材料であると同時に、無機養分の運搬役と、葉の温度を下げる“冷却水”という三つの役割を担っており、単なる灌水量だけでなく「いつ・どこに・どのくらい」届けるかが光合成量を大きく左右します。根から吸い上げられた水と養分が十分でないと、葉は光を受けても光合成に必要な仕込みが足りず、また蒸散による冷却が効かなくなって葉温が上昇し、気孔閉鎖や光化学反応の失速を招きます。

根圏が過湿で酸素不足になると根が傷み、水と養分の吸収が低下し、葉の光合成能力も同時に落ちる。

乾燥ストレスがかかると、植物は気孔を閉じて水分を守るため、CO₂の取り込みが制限されて光合成が低下する。

水と肥料はセットで考え、根が張る層に適切な水分と無機養分がある状態を維持することが、安定した光合成三要素の土台になる。

意外に見落とされがちなのが、「水だけでなく酸素も根に与える」という視点で、養液栽培やポット栽培の研究では、根域に適度な空気層がある方が光合成速度とバイオマス生産が高まることが報告されています。これは、水分が常に満水状態だと根が窒息して細根が減り、水と養分の供給能力が落ちるためであり、結果として葉の光合成三要素のうち「水」「無機養分」が同時に不足した状態に陥ることを意味します。

参考）https://journals.eduped.org/index.php/joane/article/download/339/289

また、葉の枚数や配置と根量のバランスも、水分管理と光合成三要素を考える上で重要で、葉ばかり茂って根が貧弱な状態では、晴天時に蒸散需要が急増した際に根の供給が追いつかず、午後に急激なしおれや光合成失速が起こりやすくなります。逆に、根量が十分で葉面積が適正な場合には、多少の乾燥や高温でも光合成を維持しやすく、病害にも強い安定した株になりやすいことから、定植時から「根を作る管理」を意識することが、結果的に三要素を最大限活かす近道になります。

参考）https://agriknowledge.affrc.go.jp/RN/2039017070.pdf

水分管理と根域環境を含めて植物生育の基本要素を整理した資料へのリンクです。

植物生育の基本要素（光・水・無機養分・酸素）の解説

光合成三要素葉面境界層と気流という独自視点

光合成三要素を「光・水・二酸化炭素」として語る際、教科書ではあまり触れられないものの、実際の栽培現場で大きな影響を持つのが「葉面境界層」と「気流」という物理的な要素で、これらは三要素が葉に届くまでの“ラスト数ミリ”の世界を左右します。葉のすぐ外側にはほとんど動かない薄い空気の層があり、ここが厚いとCO₂や水蒸気の拡散に大きな抵抗となり、外気側には十分なCO₂があっても葉表面近くでは不足する、あるいは葉の表面の水蒸気が滞留して蒸散が進まない、といった現象が起こります。

葉面境界層が厚いと、CO₂供給と蒸散の両方が阻害され、光合成三要素のうち「二酸化炭素」と「水」の流れが同時に滞る。

弱い気流でも葉面近くに流れを作れば境界層を薄くでき、CO₂供給と熱放散が改善して光合成速度が向上する。

ハウス内の風向やファンの位置によって、同じ株間でも葉面境界層の厚さに差が出て、生育ムラの一因になる。

この「葉面境界層と気流」の視点は、従来の光合成三要素の議論にはあまり登場しませんが、最近の施設園芸の技術資料や農家向けコラムでは、CO₂施用や温度管理と並ぶ“第三のてこ”として扱われ始めています。例えば、有孔ダクトで作物の高さに合わせて空気を流すと、従来の天窓換気だけの場合に比べて、葉面境界層が薄くなり、同じCO₂施用量でも光合成速度が高まることが示されており、「CO₂の量」よりも「CO₂をどう届けるか」が重要であることを物語っています。

意外な話として、農業気象の研究では、風洞装置を使って作物群落内の風速と葉面境界層の厚さを測定し、風速が上がるにつれてCO₂交換速度がどのように変化するかが調べられており、穏やかな気流でも群落内に流れを通すことで群落全体の光合成量を底上げできることが実験的に示されています。こうした知見を踏まえると、ハウス内の環境設計では「光合成三要素＝光・水・二酸化炭素」に、「気流・葉面境界層」という物理要因を重ね合わせて考えることが、今後の高収量・高品質栽培のための新しい標準になっていくと考えられます。

葉面境界層と気流が光合成に与える影響を平易に解説しているコラムのリンクです。

ハウス栽培における気流と光合成促進の関係

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