PPFDとは
PPFD（ピーピーエフディー）とは、植物の光合成に利用される波長域の光が、単位時間・単位面積当たりにどれだけ入射しているかを、光子の数を基準に表した指標です。
英語のPhotosynthetic Photon Flux Densityの略称で、日本語では「光合成光量子束密度」または「光合成有効光量子束密度」と呼ばれます。
従来のPPFDでは、光合成有効放射（PAR）に相当する波長400～700nmの光子を対象とします。
単位はμmol/m²/s（マイクロモル毎平方メートル毎秒）です。
施設園芸や植物工場では、作物が受ける光の強さを評価するために使用され、遮光資材の選定、植物育成用LED照明の設計、補光の効果確認などに役立ちます。
ただし、PPFDは光合成速度や作物の生育量を直接測定した数値ではありません。実際の光合成には、光の強さだけでなく、温度、CO₂濃度、水分状態、養分、生育段階なども関係します。
PPFDの単位と数値の意味
PPFDでは、光を粒子として扱い、光子の量をモル（mol）という単位で表します。
1μmolは100万分の1molに相当し、約6.02×10¹⁷個の光子に当たります。
例えば、PPFDが300μmol/m²/sという場合、対象となる波長域の光子が、1秒間に1m²当たり300μmol入射していることを意味します。
PPFDの数値が高いほど、その測定面に到達する対象波長域の光子数は多くなります。
ただし、光子数が多いことと、作物がその光を十分に利用できることは同じではありません。
PPFD・PAR・PPF・DLIの違い
植物の光環境を評価する際には、PPFDと関連する複数の指標が使用されます。
PAR（光合成有効放射）
PAR（Photosynthetically Active Radiation）は、従来、植物の光合成に利用される波長400～700nmの放射を指します。
PARは主に対象とする波長域を示す概念です。実際の光量を評価するときは、測定目的に応じてPPFDなどの物理量で表します。
PPF（光合成光量子束）
PPF（Photosynthetic Photon Flux）は、光源などから単位時間当たりに放出される、対象波長域の光子量を示します。
単位はμmol/sです。
植物育成用LED照明では、照明器具がどれだけの光子を放出するかを比較する指標として利用されます。
PPFD（光合成光量子束密度）
PPFDは、実際の栽培面などに到達する光子量を、単位面積・単位時間当たりで表します。
単位はμmol/m²/sです。
同じPPFの照明器具でも、照射距離、配光、設置台数、栽培面積、反射条件などが変われば、栽培面のPPFDは異なります。
DLI（日積算光量子量）
DLI（Daily Light Integral）は、1日を通して単位面積に入射した光合成有効域の光子量を積算した指標です。
単位はmol/m²/dayです。
PPFDがある時点の光の強さを示すのに対し、DLIは1日に受ける光の総量を表します。
作物の生育や補光の必要性を評価する際は、PPFDと照射時間の両方を考慮します。
PPFDと照度・日射量の違い
照度（lx）との違い
照度は、人間の目が感じる明るさを基準に評価する指標で、単位はルクス（lx）です。
一方、PPFDは対象波長域の光子数を基準とします。
人間の目の感度は光の波長によって異なるため、同じPPFDでも、赤色光、青色光、白色光では照度が異なる場合があります。
そのため、植物育成用LEDの性能を照度だけで比較すると、光合成に関係する光量を正しく評価できないおそれがあります。
照度からPPFDへの換算には光源の分光特性が関係します。光源の種類が異なる場合、一定の換算係数をそのまま使用することは適切ではありません。
日射量（W/m²など）との違い
日射量は、太陽から到達する放射エネルギーを評価する際に用いられます。
瞬時日射はW/m²、積算日射量はMJ/m²などで表されます。
これに対してPPFDは、従来のPARに相当する波長域の光子数を基準としているため、測定対象と単位が異なります。
日射量からPPFDを推定する方法もありますが、両者の関係は光の波長分布や大気条件、施設被覆材などによって変化します。
特に光質を変化させるフィルムやLED照明では、固定した換算係数による推定に注意が必要です。
PPFDとDLIの計算方法
一定のPPFDで照射を続ける場合、DLIは次の式で計算できます。
DLI（mol/m²/day）＝PPFD（μmol/m²/s）×照射時間（h）×0.0036
例えば、PPFDが200μmol/m²/sで、1日に16時間照射する場合は次のようになります。
200×16×0.0036＝11.52mol/m²/day
同じPPFDで照射時間を12時間に短縮すると、DLIは8.64mol/m²/dayとなります。
この式は照射時間中のPPFDが一定である場合の計算です。
自然光を利用するハウスでは、PPFDが天候や時間帯によって変化するため、時間ごとの測定値を積算してDLIを求めます。
また、同じDLIであっても、照射の強さや時間配分、光質などが異なれば、作物の反応まで同じになるとは限りません。
PPFDの測定方法
PPFDの測定には、一般に光量子センサー、量子センサー、光量子計、PARメーターなどが使用されます。
測定器を選ぶ際は、測定波長範囲、分光応答特性、校正条件、測定精度などを確認します。
測定する位置
施設内の光環境を比較する場合は、作物の葉群上部など、評価したい栽培面の高さにセンサーを設置します。
通常の上方からの照射を評価する際は、受光面を水平にして測定します。ただし、個々の葉に入射する光量や樹間補光を評価する場合は、測定面の向きと位置を目的に応じて定めます。
ハウス内では、骨組み、カーテン、誘引線、設備などが影をつくるため、1か所の測定値を施設全体の代表値とみなすことは適切ではありません。
複数地点での測定
照明設備や遮光資材の性能を評価する場合は、栽培面を複数の測定地点に分け、光量の分布を確認します。
平均値だけでなく、光量が多い場所と少ない場所の差にも注意します。
測定点数や配置は、施設面積、照明器具の配置、作物の草丈、評価目的などに応じて設定します。
測定時刻と環境条件
自然光を利用する施設では、時刻、天候、太陽高度、遮光カーテンの開閉状態などによってPPFDが変動します。
遮光前後や施設間の比較では、測定位置や時間帯をそろえ、必要に応じて屋外のPPFDも同時に測定します。
測定者自身の影が受光部にかからないよう注意し、センサーの汚れや経年劣化、校正状態も確認します。
LED照明を測定する場合
植物育成用LEDでは、光源の波長分布が太陽光と大きく異なる製品があります。
量子センサーの分光応答特性によっては測定誤差が生じるため、使用するLEDの光質に対応した測定器を選びます。
波長ごとの光子量や光質まで詳しく確認する場合は、適切な分光測定器を使用します。
PPFDと光合成速度の関係
一般に、光が不足している条件では、PPFDの増加に伴って光合成速度が高まります。
しかし、光が十分に供給されるようになると、光合成速度の増加は次第に小さくなり、条件によってはほとんど増えなくなります。
光の強さを増しても光合成速度がほぼ増加しなくなる領域を考える際には、光飽和点という概念が用いられます。
また、光合成によるCO₂吸収と呼吸によるCO₂放出が等しくなり、見かけのCO₂交換がゼロになる光の強さを光補償点と呼びます。
これらは作物や品種、葉の状態、温度、CO₂濃度などによって変わります。
したがって、PPFDを高くすれば必ず光合成速度や収量が比例して増えるわけではありません。
施設園芸でのPPFDの利用
遮光資材の効果確認
遮光・遮光資材や遮光ネットを使用すると、施設内に入る光合成有効域の光量が変化します。
遮光の効果を評価するときは、作物付近でPPFDを測定し、遮光によってどの程度光量が減少したかを確認します。
ただし、遮光率の表示値と、実際に測定されるPPFDの減少率が必ず一致するとは限りません。
植物育成用LED・補光設備の設計
植物育成用LEDの導入では、照明器具のPPFだけでなく、栽培面に届くPPFDとその均一性を確認します。
光源の設置高さ、配光、器具間隔、栽培面積、反射条件などによって必要な照明台数が変わります。
また、補光時間を含めてDLIを評価し、作物の光要求性と電力コストの両面から照明条件を検討します。
製品情報については、LED光源でも紹介しています。
環境制御と栽培管理
PPFDは、施設園芸における光環境の評価指標の一つです。
ただし、日射によって葉温や蒸散も変わるため、PPFDだけで遮光・換気・灌水などの制御条件を決めることはできません。
実際の栽培管理では、環境制御の考え方に基づき、温度、湿度、CO₂濃度、水分状態などと組み合わせて判断します。
作物ごとの適切なPPFD
必要なPPFDは、作物の種類、品種、生育段階、照射時間、温度、CO₂濃度などによって異なります。
例えば、葉菜類の育苗と、果実を多く生産する果菜類の栽培では、求められる光環境が異なります。
農研機構では、トルコギキョウの人工光閉鎖型育苗において、PPFD75～125μmol/m²/s、20時間明期などの条件を用いた研究成果が報告されています。
ただし、これは特定の育苗方法と温度条件を組み合わせた研究結果であり、すべてのトルコギキョウや他の作物に適用できる推奨値ではありません。
作物の適正PPFDを判断する際には、測定値だけでなく、照射時間、DLI、光質、温度などの条件が明記された栽培試験や技術資料を確認します。
PPFDの利用で起こりやすい間違い
PPFDが高ければ収量が増えると考える
光合成には光飽和があり、温度、CO₂濃度、水分、養分などが不足すると、追加した光を十分に利用できない場合があります。
PPFDの増加による効果は、作物の生育反応と栽培条件を合わせて評価します。
照度（lx）をPPFDへ一律に換算する
照度とPPFDは測定の基準が異なります。特に赤色や青色の割合が異なるLEDでは、固定係数による換算に大きな誤差が生じる場合があります。
できるだけ光源に対応した光量子計を使用します。
PPFとPPFDを混同する
PPFは光源などから放出される単位時間当たりの光子量、PPFDは栽培面などに届く単位面積・単位時間当たりの光子量です。
照明器具のPPFが高くても、設置条件によって栽培面のPPFDが不足する場合があります。
一時点のPPFDだけで光量不足を判断する
一時点のPPFDが低くても、長時間照射によって一定のDLIを確保できる場合があります。反対に、短時間だけPPFDが高くても、1日の受光量が不足することがあります。
生育への影響を判断する場合は、照射時間や日積算光量も確認します。
測定位置や測定条件を統一しない
測定高さ、センサーの向き、光源との距離、天候、周辺設備の影などが異なると、PPFDの比較結果が変わります。
比較目的に応じて測定条件をそろえ、記録に残します。
LED照明の消費電力だけで性能を比較する
消費電力が同じ照明器具でも、光子効率、配光、分光分布などによって栽培面に届くPPFDは異なります。
照明設備を選ぶ際は、PPF、PPFD分布、光子効率、照射時間、消費電力、設備費などを総合的に比較します。
関連する資材分類・農業用語
参考資料
- 文部科学省「光と植物－植物工場」
- 森林総合研究所「植物が光合成に利用可能な光の量の新たな推定法」
- 農研機構「人工光閉鎖型育苗と水耕栽培等によるトルコギキョウの年3作周年生産技術体系」
- 農研機構「オリエンタル系ユリにおける生育段階ごとの光量と光合成、乾物蓄積との関係」
- Virginia Tech「How to Choose the Right LED Grow Lights for Your Plants」（英語）
- Iowa State University Extension「How to Determine How Much Supplemental Light to Provide for Indoor Plants」（英語）
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