葉の状態が変動光波形に及ぼす影響
鈴木 時雄・加藤 嗣範＊
EFFECTS OF LEAVES ON FLUCTUATING LIGHT WAVEFORM
IN SOME PLANT CANOPIES
HaruoSuzuKIandTsugunoriKATO＊
The purposes of this paper are to elucidate the influence of the condition of
leaveswithin plant canopies upon the waveform of fluctuatinglightResults obtained
are as fo1lows：
（1）The changes oflight transmissivity withinleaf widthin cross−SeCtional
direction were very smallin some plant canopies，Showing that this was not an
important factor characterizing the waveform of fluctuatinglight
（2）As a result of a wind tunnelexperiment relating tolight fluctuations，the
frequency bringing the spectraldensity of the fluctuatinglight beneath theleaf to a
definitelevelor more，becamelargewith theincreasein the angle ofleafらIevation
Comparing this relation according towind velocity，eaCh observed frequency range
wasintheorderofstrongwind（25ms￣l）＞middlewind（2．Oms−1）＞weakwind（17
ms−1）Astothepeakvalueandthepeakfrequencyofpowerspectla，aClearrelation
COuld not beobtained compared to the observed董requencyrange
（3）The peak value wasincreasing exponentiallywith theincreaseinleaf area
However，aSfor the peak frequencies，aninverse relation wasshowncompared to the
peak value
（4）Regarding the relation between the type ofleaf blade and the waveform，it
turned out that the waveform had different characteristics foreach typeo‖eafblade
Thoughevery peak value becamelargewith theincreaseinwind velocity，the peak
frequencieswith nearlyconstant value，remained unchangedwithwind velocity
Key Words：fluctuatinglight，leaf，plant canopy，WaVeform，wind velocity
緒 水田や畑地などの植物は，一−・般に風によって茎葉が揺れるので，太陽の直達光（強光）と茎葉の 陰による弱光の繰り返し（変動光）が植被内にて生じているい この変動光の作物へ及ぼす影響につ いてはすでにいぐつか論じられているが（1），植被ごとの変動光波形の違いについての報告例は少な しヽ これに関して既報（乙3）でほ，各種の作物植被ごとの変動光の波形についで比較した。．すなわち，変 動光の波形は植被の種類による他に測定条件と栽植様式等によって異なること，個々の波形の振幅 ＊パシフィックコンサルタント株式会社 〒206 東京都多摩市関戸1丁目7番地5 Pacific Consultant，LtdSekido，Tama−Shi，Tokyo206
香川大学農学部学術報告 第46巻 第2号（1994） 110
には日射強度が関与し，また波形の振動数にほ栽植密度による影響の大きいこと等を明かにした
しかし，これら波形成立の詳細な機構に？いて鱒明ら声ゝではなt
． るそこで本報告では，波形成立に幽わる要因のうち，植被側の要因を取り上げることにした．特に
個薬の状態と変動光波形との関連性について検討した．実 験 方 法
実験は1990年4月より1991年11月にかけて，香川大学農学部にて行った 1変動光波形の測定と解析 植被内の変動光の測定は，センサーとして受感部径4い5皿×4．．5血のフォtダイオー・ド（シャー プ，SPD−511T）を使用し，その出力信号は電磁オッシログラフ（横河北辰電機，Mode13655）で 記録した．変動光測定のための条件とされる分光感度，応答時間，直線性，温度係数は特に問題は なく（4），測定全般については既報（3）の場合と同様にした 測定は簡易な形状の風洞装置（53cmX53cmx184cm）の人工光源下（東芝，HID−400W）にて行ったり これは，野外では風向風速が一億しないので，各波形を同じ風条件下で比較することが困難と
考え／たからである… また，野外の自然風中の現象に本実験を拡張するには不確実な点が多いので， 室内の風洞実験によれは自然現象の中から支配的要素を抽出してより本質的な関係を見いだすこと ができるものと考えたからである 葉の変動光の測定点は測定対象菓の直下としたいそこへ光測定センサ「を置いて光変動が最大に 得られるよう測定点を水平方向に微調整した 波形の解析には電磁オッシログラフにFFTモジ．ユ・−ル（横河北辰電機，3659−20A）を組み込 み，スペクトル解析を行った（5）．また解析は，変動光の時尚変動をより定量化しで比較するために， 繰り返し測定（8回測定，1回の測定時間は4秒）して得られた平均的な変動光についてスペクト ル解析を行った 2供試葉 光透過率：其の透過率が波形へ及ぼす影響を調づた．ペンレコーダの紙送り部を改造して，その 中央部に小穴（￠1…5皿）をあけて変動光測定センサ・−を設置したいそして，記録紙に測定対象の菓 をつなぎ，一層速度（240mmh￣l）で移動させるようにして薬の横断面方向におけ卑光強度の変化 を測定した．．なお，照射光による熱の吸収は光源下に設置した水屑によった供試薬はインゲン （品種：つるなしインゲン），トウガラシ（シシトウ），キュウリ（さぬきみどり），レタス（岡山サ ラダ菜）である 仰角：個其の夙に対する傾きと変動光波形との関係をみるため，個実の仰角を00，200，300，400，500，600，7pO，900と設定した．風速ほ・1．7rns−1，2．Oms，l，25ms∵lとし，それぞれを便宜
上，弱風，中風，強風と称した．．菓身は円形（半径3cm，面積9花C虚）の厚紙（0り．55mm厚）による 模型菓であり，竹ヒゴ（径1‖8mm）を茎として使用して各々28cm高に設定した∴なお，以降の実験に おいても茎と菜は同じ材質によった 面積：菓身の大きさによる波形変化をみるために，円形模型其の面積を1い0冗（Ⅶ2（半径1血），4．07rCm2（同2cm），6．37rCn2（同2”5cm），9”0方Cm2（同3cm），1607rCm2（同4cm），36．07CC血2（同
6cm）とした．この場合，菓の仰角はいずれも450である．風速は先の仰角の場合と同様の3通りと した 葉身の形：菓，つまり菓身の形には多数の種類があるので（6），その中で特徴のあぁ6種を選んだすなわち，広橋円形菓身は正方形と。㌧，以下，埠針形襲身喀矩軌腎膵形菓身は正五角形として模
型菓を作成した‖他の三角形，円形，楕円形は図形の呼称と葉身の形め呼称とも同じであるい各菓
身の面積ほ．いずれも50cm2，各菓身の設置高ほ．28αとした
風速は0．4ms￣1より2．8msTlの範囲とし，各菓身は風向に対Lて水平
みは夙に菓面を正対させた．．各菓身の風向をFig1に示した
Fig1Leaf shapes L占aves were held horizontally except rectangular ones（●），Which
Were held verticallyEach arrow der10teS Wind directiorlWind direction for the rectangularleaves was frontal
次に，上記の各菓身以外にパセリのような複雑かつ多量の空隙のある菓を想定して，波形との関 係を調べたい空隙として円形の厚紙（半径4′Cm）、に履4・串00の小穴を等間隔に多数あけ，空隙率
9り4％，203％，34．4％の3通りに設定した
葉の位置：変動光波形は上記の菓だけではなく，菓を支える菓の柄や茎長によっても異なるい そ れらの関係を多元的にとらえるのは困難であるので，ここでは地際からの菓の高さとして簡略化 し，波形との関係を調べた．各菓は水平にし，高さを8cmより41cmに設定した菓身の面積ほいず れも97｛Cm2であり，風速ほ0．4ms￣lから2■u8ms−1の範囲であろ 実験結果および考察 植被内（ダイズ）の変動光の模様をFig；2に示した測定点ほいずれも各草高め1／2の高ざである すなわち，波形変化は草高の増加ととも呼顕著となった。こ 徴のあることがすでに．筆者らによって得られており（23），これら波形成立の⊥∵要因と考えられる個 薬との関連について以下，検討する 1光透過率 各供試薬下の光強度はFig3のごとくである・・図中の各矢印は葉脈の位置を示している このFig3より各菓における横鹸面方向菓幅範囲内の平均光透過率せ求めると，インゲソ： 16い3％，トウガラシ：：21．6％，キュ．ウリ：166％，レタス：18。．8％であり各々透過率の高低がみら れた、しかし，菓における位置別透過率の変化はほとんどみられていない．特に波形に影響のある とみられる集録付近の透過率変化も各菓間に差はない 以上の結果は葉にほは接したセンサ・−の値であることから，菓より数00以上離れた植被内各個所 の変動光波形に及ぼす影響ほさらに僅少とみてよい香川大学農学部学術報告 第46巻 第2号（1994） 112
X一上二言su書u二鳥コ
∈0ぎ叫堰エlu和一d
3 3 00 1 1 2 00 ■■．■l 00 00 1 1 9 5 2 2 00 0 1Fig 2 Fluctuations oflightin soybean canopy Heights for measuringlight were at the harf of plant height
Width of］eaf
ト
4 6 3X⊇さ濁uβuこ竜コ
卜
0 6 4ト
40 6ト
1 7 4 †††††Fig3 Lightintensities beneathleaves S＝Snap vean，P：Pepper，C＝Cucumber，L： Lettuce
B
C−
AC2
● ■t ；；；；io ．言 ▲▲20 0 0 3 2 Nエー亀u遥 5 0 ▲■D’ ▲号 ▲人lqV ▲ ▲暮○ ロ● ▲ ■ A︳ t ●0 t● O t● 〇 一 ● ○ ■ ● ○ ‘ ● ○ t● ○ 0 5 0 ■．⊃ 2 一l 一l さ。 一8−善一I
O● 0 3 3 8 20 32 44 0 3 2 0 ▲‖U 4 0 2000
︵U O ︵U O 4 5 6 7 Nエ杏u当b巴〓苛d 宅−焉￡ ．i 0 0 0● ● ■ ，る● ○ ● 0 0 0 0 4 5 6 一l 0 ○ロ ●▲■ 白− ▲●■ ▲ ○ − 0 50 6 4 2 3 0 1 2 3 8 20 32 44 40 0ノ 1 45 9 0 20 ■ ○ ■ 事98
● 篭＆q■ ○ ○ ′ ○ ● ザ t■○● ● 5 0 ■ マ 0 0 ■ ● t ■ 1 ● 0 Z 3 8 20− 32 44 20 40 0 1 2 3 0 1 C 45 90 0Angleofelevation Leaf area
Wind velocity Wind veIocity
Height
（○） （×方Cm2） （m＄■1） （ms￣リ （cm）
Fig 4 Relations between fluctuatinglight waveform and status ofleaves A denotes the
arlgleofleaf占Ievations，Btheleafarea，Clthel占afshape，C2theratioofvacant
SpaCe Ofleaf to theleaf area，and D theleaf position SymboIsofeachitemswere
asfollows A，BandD：○；Windvelocity17ms￣1，●；2‖Oms−1，×；2＝5ms￣1
Cl：○；Circle（1eaf shape），△；Tr・iangle，□；Square，●；Pentagon，▲；Rectangle，｛；E11ipse C2：○；94％（ratio），●；20“8％，×；344％
2仰角菓が夙に対して傾斜する場合，熱や水蒸気輸送（8），光合成速度（9）などからすでに論じられている
が，光変動についてはまだなされていない．Fig。4のAは，菓の風向に対する仰角と波形との関係 を示したものである まず，出現した周波数（−70dB以上のスペクレレ密度をもつ場合，以降同様）の範囲（レンジ） は全般的に仰角の増大につれ広がる傾向にある．風速との関係では，強風＞中風＞弱風の順序で強 風が最もレンジが広く，風速の増大は周波数レンジの増加となっている−ただし，中風下では仰角 300から500にかけて18Hz前後にとまっているl強風下の周波数レンジは450において最大値となる 放物線状を呈している 周波数のピ・−ク備については先のレンジの場合ほど明確でない．各仰角ともに約−33dBより− 41dBまでの範囲に分布しているり ピーク周波数では，傾向として仰角が大きいぼど周波数は小さく なる各風速において周波数の差は明確ではなく，さらに各風速の場合とも乱れた分布である 以上のように菓の仰角が波形に及ぼす影響には，波形周波数のレンジ，ピ・−ク値，ピ、−ク周波数 において各々特徴がみられた香川大学農学部学術報告 第46巻 第2号（1994） 114 3 面積 Fig4のBに菓の面積との関係について示した（いずれも仰角は450）∴まず，弱風下で句変化を みると，周波数のレシジほ一部の例外（面積9方dの場合）ほあるものの，供試円形葉の率鱒竿頭 より36花C痛までを封2Hz∼15Hzの範囲にあう∴面積とレンジとは必ずしも比例した関係ではない…∴中 風下でも弱風下に準じた変化が卒り，強風下では全般的にレンジほ大きく−なって3帥dに蒔い膚あミ あるが，最高値は9冗C虚に出現する逆放物線状を呈した 他方，周波数のピーク備でほ償試した3風速問に膵さまとんど差力ぅみられなく，し，ずれも薦面横の 増加に対して指数関数的に増大している．汀t：撼セほ．−50dB∼q55dBとなるが，16wc撼では−34 dB′、ノ・−−36dBに一定してくる ピーク周波数になるとピーク備とは逆の幽係となり，菓面街の増大につれて低くなる、東面僚友 dでは各風速とも豹10Hzであったのか，1餌dを越える面掛こなると3鱒z程掛と一億Lて、くる 著者らは今回？仰角450の場合の他に，仰角00，200，900，1350についそも測定している科若干 の差異ほあるものの傾向として今回の場合と同様であらた
以上，菓め面掛こついてはピ・一夕値とピニク周波数ともに指数関数的関廃が得られたが，増減の
傾向は対照的であった 4葉身の形 Fig4のqlをみると，各菓塑の周波数めレンジはし、ずれも風速の増加につれて大きぐなり、，菓型間差も広がった．矩形（▲）ほ他の衰塑とは風向が異なるが（Fig．1），風速の増加につれてレジジ
増が顕著であり・∴2．8ms￣lの時は第2位の正三角形（△）と約7Hzもの差異があった、．しカナも，衡形では風速と直線的関係がみられている‖ これに対して他の円形（○），正方形（ロ），正恵角形
（●），楕円（1）では異なった変化を呈し，．風速が増して1．．5ms〔1までレイジが増加するが，それ 以上の風速になると各菓塑とも各々一・定してぐる ピーク値もレンジの場合のように図中の各プロットは散在している．矩形はレンゾの場合と異 なって，風速が2ms￣1以下になると他の菓型よりも相対的にピーク値は高い． ピー・ク周波数では前2者の場合とは様相が異なYり，各菓身ともに値がほぼ一億しており，風速と はほとんど無関係となる‘すなわち，円形：5け8Hz，正三角形：、6・9Hz，正方形：5り5Hz，正五角 形：5・2日z，矩形：2‖9Hz，楕円：6′1Hzであるいただし，妬形のみは若草の変動がみられている このように菓型の種類が変動光波形を特徴づける叫・要因であることが明らかとなった 5空隙 上記までは単葉を対象としてきたが，実際には複葉の菓が多数あり，その種類も多い（6）．実験に あたって，複葉は先（4…）の菓型の場合のように容易に模型として作成できない．そこで前記した ように，ここでは．各複葉の形態を簡略化してとらえ，円形模型実に多数の小穴せあけて教案とし た．小穴による空隙率との関係を表したのがFig4のC2である これによるとレンジの場合，各空隙率とも風速の増加につれてほぼ直線的に増大の傾向にあり， しかも，空隙率9．4％（○）と同20‖8％（●）とはほとんど差が認められない“34．．4％では各風速域 を通じて約2Hzほどレンジが大きくなる程度である ピーク億でも前記と同様に風速とほぼ比例関係が認められ，しかも各空隙間に差は．ほとんどみら れない ピ・−ク周波数になると前2者とは違って，風速による差異はみられなく−・定しており，空隙率9．4％では約6Hz，20い8％では約5い5Hz，34．4％では約8Hzである，．これに関して各菓身の型
（4．）の場合も風速にかかわらず−・定しており，共通した特徴と言える． 6葉の高さ 菜の高さと周波数レンジとの関係（Fig4のD）では，菓が高い位置になるほどレンジは小さくなり，20cmを越えると低下はみられなくなる ピt−ク値でほ菓が高くなるほど増大がみられ，両者は棒ぼ直線的関係にある‖ 弱風，中風，強風 間の差ほみられていない．．ピ・−ク周波数になるとピ・−ク億の場合とは逆の関係となり，糞が高い位 置になるほど周波数は低（なる．中風の場合，高さ16cmでは14．8Hzであったのが，32cmでは4．8Hz にも下がる小 このように菓の高さの違いが波形に及ぼす影響について，風速による差ははとんどなかったが， 波形のレンジ，ピーク値，ピ、−ク周波数の全項目においては明瞭に得られた 結 変動光波形に影響を及ぼす要因を，主に植被側の菓の状態から検討したい其の状態すべての要因 についてみるのは困難であるため，ここでは菓の光透過率，仰角，面積，菓身の形，乗の高さの各 項目について比較した 風洞実験によって各実験項目ごとに波形との関係をみた結果，其の光透過率の要因以外ほいずれ も波形成立に大きく影響を及ぼしていることが，主に波形のレンジ，ピ・−ク値，ピーク周波数から 判明した．要因ごとの特徴は多数得られたが，実際の植被内の各波形はこれら変困の複合化された 結果とみることができる
なお，植被の種類と生育による植被固有の振動数の存在が示唆されているぐ7）．これに関して本実
験では個菓を対象としたが，個糞の状態も植被の種瑛，生育によって異なることから，本実験の各 結果は同示唆と同じ意味を持つものと考えられる‖ 次に−・般には地表面の粗度や風そのものによっ て夙に固有の乱流構造のあることが考えられるが，今回の波形解析の結果ほこうした植被以外の各 要田の相互作用の現れでもある 本実験では薬の各要因ごとに波形との関連を明らかにしたが，複数の要因を同時に扱うこと，並 びに風の特質との関連を明らかにすること等が次の課題となる 要 約 植被内変動光波形の成立についてほ明らかにされていない．本研究では，菓の状態が変 動光波形に及ぼす影響について明らかにするために実験を行った．得られた結果は下記の ごとぐである （1）菓における横断面方向の菓幅範囲内光透過率の変化は僅少であり，変動光波形を特 徴づける要因ではなかった （2）菓の風に対する角度（仰角）と変動光波形との関係では，波形のスペクトル解析か ら波形周波数のレンジは全般的に仰角の増大につれて広がる憤向にあった．風速との関係では各仰角とも波形解析におけるレンジほ強風（2．5ms￣1）＞中風（2…Oms￣1）＞弱風
（1．7ms￣1）の順序であった波形周波数のピーク値とピーク波長は，レンジの場合ほど 明瞭な関係ではなかった （3）菓面積の増加につれ波形周波数のピー・ク億は指数関数的に増大したが，ピーク周波 数はピー・ク値の場合とは避の傾向であった （4）変動光波形は各菓身ごとに特徴があった．各菓身による波形周波数のピーク値はい ずれも風速の増大につれ大きくなったが，ピーク波長は風速によって変わらずいずれもほ ぼ一定となった香川大学農学部学術報告 第46巻 第2号（1994） 116 献 （㊥ ∴濱 健夫：植物形態学．pp183−210．コロナ社， 東京（1969） （7）林 陽生：群落一気流の相互作用（1）フレキシブル な模型群落の組織的括れとその風速飯有性農業 気象，43，127−134（1987）
（8）THOM，AS：The exchange of momentum，
mass，and heat between an artificialleaf and
the airflowina wind−tunnelQuartJ Roy
〟gfぶoc，94，44−55（1968） （9）矢吹萬裔：植物の動的環境」Pp．46−47．朝倉杏 店，東京（1985） （1994年5月31日受理） 文 （1）鈴木晴雄・神島義和・宮本硬−・：強弱光の反覆が 作物の生育におよぼす影響（Ⅰ）‖農業気象，39， 97−101（1983） （2）鈴木晴雄・田中伸一・：数種の植被内における変動 光．農業気象，46，87−92（1990） （3）鈴木晴雄・田中伸一・藤日章擁・米谷俊彦：作物 植被による変動光の波形特性．生物環境調節， 29，65−72（1991） （4）NORMANN，JMand TANNER C B：
Transientlight measurementsin plant cano−
piesAgr・0乃ノ，61，847−849（1969） （5）日野幹雄：スペクトル解析．pp21−287。朝倉書
