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エンジニアのための野菜栽培

これは、家庭で野菜を育てる方法を理解するための出発点です。私は、一般的な園芸書（詳細が少なすぎる）やソーシャルメディア（話が多く、クリックベイトすぎる）への不満からこの文書を作成しました。さまざまな情報源から概念、データ、アドバイスを整理・統合する必要がありました。農業大学の普及プログラム、商業用種子・肥料会社の作物ガイド、高校の生物コース、実際の農家研修コースや園芸ワークショップ、そして屋内大麻栽培者の技術資料まで参照しました。

この文書は、私の過去数年間の個人的な学習の旅を反映したものです。プルリクエストの提出やフィードバックのメールを歓迎します。

現在は、都市部のマンションでの屋内およびバルコニー栽培に焦点を当てています。そのため、水耕栽培とコンテナ栽培のみを扱います。菜園、堆肥化、水産養殖、菌類栽培、パーマカルチャーは（現時点では）カバーしていません。

目次

この文書は、大きく3つのパートに分かれています。

1. 🍎 概念
   1. ☯️ 環境パラメータ
   2. 🌱 成長段階
   3. ☀️ 光
   4. 🌡 温度
   5. 🧪 栄養
   6. 🟤 栽培培地
   7. 💧 水
   8. 😷 病害虫
2. 🔢 データ
3. 🛠 技術とリソース
4. 💰 経済性

最初のパートは、野菜栽培の科学についての概念的な理解を提供します。2番目のパートは、多くの園芸作物のデータ（「野菜表」）の表を掲載しています。作物の選択に関する基本的な質問に答えます。3番目のパートは、よく知られた栽培システム、技術、その他のリソースへのリンク集です。最後に、最後のパートでは市場栽培の経済性について考察します。

🍎 概念

☯️ 環境パラメータ

植物を育てる際、相互に強く依存し合う多くの要因のバランスを取る必要があります。例えば、光や栄養が不足すると、植物の成長と発達における制限要因となります。一方で、過剰な光や肥料（特定の植物種が代謝率に応じて処理できる量を超える場合）も問題を引き起こす可能性があります（葉先枯れ、光酸化ストレス）。

* 小規模システムにおける主要な測定値

これらのパラメータがなぜ重要なのでしょうか？植物は、補完的な2つの重要なプロセスを実行します。

• 植物は、光合成中に光エネルギーを貯蔵可能な化学エネルギー（炭水化物）に変換します。言い換えれば：☀️ 光エネルギー + 💨 二酸化炭素 + 💧 水 → 🔋 貯蔵エネルギー + 💨 酸素
• 植物は、呼吸と呼ばれるプロセスで、貯蔵エネルギー（炭水化物）を使用して成長を促進します。言い換えれば：🔋 貯蔵エネルギー + 💨 酸素 → 💨 二酸化炭素 + 💧 水

光は、植物の成長に文字通りエネルギーを供給するため、最も重要な環境パラメータです。

温度は植物の代謝率を決定し、したがって成長率にも強く影響します。

さらに、もう1つ重要なプロセスがあります。

• 植物の葉を通じた水の蒸発は、根から（溶解した栄養素を含む）水を吸い上げます。これは蒸散と呼ばれる受動的なプロセスです。

土壌pHは、「マスター変数」と呼ばれることがあります。なぜなら、それは土壌栄養素の溶解度（他のこと、微生物活動を含む）に影響を与え、したがって栄養素の利用可能性、ひいては植物の成長に影響を与えるからです。

空気の湿度、風、そして温度はすべて蒸散の速度に影響を与え、したがって栄養素の吸収と植物の成長にも影響を与えます。この理由から、換気が悪いと実際に栄養不足につながる可能性があります。

一方、過度の換気は相対湿度を低下させます。これは、加熱によって（暖かい温度では空気はより多くの水を保持します）、換気（「外へ」）、または凝縮（「内へ」）と組み合わされると、蒸散を増加させ、植物の温度を低下させ、周囲の湿度を増加させるという悪循環につながる可能性があります。あるいは、蒸散が植物に十分な水がないほど（例えば、日中のピーク時に）起こると、気孔（葉の裏側にある微細な開口部）が閉じ、葉の温度が上昇し、CO₂交換が減少します… [1]

湿度は3つの方法で減らすことができます：1）加熱（暖かい温度では空気はより多くの水を保持します）、2）換気（「外へ」）、3）凝縮（「内へ」）。

環境：

• 屋内システムでは、環境パラメータはほとんど制御されています。制限要因は、おそらく1）光、2）スペース（面積）、3）水、4）栄養、5）酸素（無土壌システムおよびコンパクトな土壌の場合）です。
• 屋外システムでは、太陽、風、温度、水のアクセス、土壌条件を考慮してください。播種カレンダーと最初の霜/最後の霜の日付を探してください。

植物生物学についてさらに詳しく

• Mary M. Pratt, Practical Science for Gardeners, 2005.
• Khan Academy, “Cellular respiration”, https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation
• Khan Academy, “Photosynthesis”, https://www.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants
• [1] https://www.greenhousecanada.com/empower-plants-through-balanced-climate-control-33115/

🌱 成長段階

* 果実を付ける作物のみ

一般的な経験則として、種子は大きさの2倍の深さに植えます。

植物の成長についてさらに詳しく

• Mary M. Pratt, Practical Science for Gardeners, 2005.
• “Chapter 10: Growth, Development, Transpiration, and Translocation as Affected by Abiotic Environmental Factors”, Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food, edited by Toyoki Kozai, Genhua Niu, Michiko Takagaki

☀️ 光

光質

［画像: Based on https://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_spectrumrevised.png］

光質とは、光に含まれる波長（色）の分布を指します。光合成に最も関連性の高いスペクトル部分は400〜700 nmです。この範囲は光合成有効放射 (PAR)と呼ばれます。

単純に言えば、青色光は健康な茎と葉の生成に必要です。赤色光は開花と結実、および種子の発芽、根の成長、種子の生産に必要です。

歴史的には、植物はPAR光のみを使用すると信じられていました。現在では、PARの外側にある遠赤色光と紫外線光も植物の発達に影響を与える可能性があることが理解されています。具体的には、葉に浸透する遠赤色光（FR）は、植物がキャノピーの下にあることを伝え、成長を促進する可能性がありますが、空中に豊富に存在する青紫色光と紫外線光は、成長を抑制する可能性があります。

購入時のアドバイス：

• 色温度（ケルビン、Kで測定）は人間にとってのみ関連性があり、植物には関係ありません。
• 赤青（「ブループル」）ライトではなく、フルスペクトルライトを購入してください。成長中の光質の変化に関する研究はありますが、一般的には開始から終了まで同じ一定のフルスペクトルライトを使用すれば十分です。

光量

［画像: Based on https://en.wikipedia.org/wiki/PI_curve］

植物の成長速度は光量（強度）に比例します。しかし、ある量（光補償点）を下回ると、成長を促進するのに十分なエネルギーがありません。一方、ある量（光飽和点）を超えると、植物は損傷を受けます。耐性レベルは作物ごとに異なります（データセクションを参照）。

光量はさまざまな方法で測定され、主要な指標は1日の光量積 (DLI)です。

PPFDとDLIはスポット測定値です。これらは常に光源からの特定の距離に関連しています。

DLIを計算するには、PPFD × 1日あたりの光照射時間（「光周期」）× 1/1000000 mol/μmol × 3600秒/時間 を掛けます。

購入時のアドバイス：

• ルーメン、ルクス、フットカンデラは人間にとってのみ関連性があり、植物には関係ありません。
• PPFDマップを要求してください。これは、特定のランプの高さで、さまざまな点におけるPPFD測定値を示します。例として、IKEA VÄXER E27 10W 栽培用電球は、高さ30cmで半径6.5cmの範囲で">250 PPFD"を生成可能です。これを1日16時間照射すると、DLIは14.4 mol/m²/日になります（上記の計算を参照）。これはレタス（14〜17 DLIが必要）には十分ですが、トマト（22〜30 DLIが必要）には不十分です。
• 植物のDLI要件は、太陽光を含む総光量に対するものであり、補助光は少なくてもよい場合があります。
• 量子メーターはPPFDを測定するために使用されます。Korona（iOS）のようなアプリは、低コストの代替手段として使用できます。MIGRO、「Android Smartphone PAR meter hack」、2019年9月25日、https://www.youtube.com/watch?v=AjkEJjlzGv8 も参照してください。

光周性

光周性とは、光周期が植物の成長と開花にどのように影響するかを指します。短日植物（例：レタス）は、日が一定の長さより短い場合にのみ開花し、長日植物（例：緑豆）は、日が一定の長さより長い場合にのみ開花し、中性植物（例：トマト）は、他の条件に基づいて開花します。

植物照明についてさらに詳しく

• “Chapter 7: Light”, Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food, edited by Toyoki Kozai, Genhua Niu, Michiko Takagaki
• AlboPepper, “PAR Light Quality LEDs & HID: Plant Grow Light Basics -101 (pt 1)”, August 17, 2017, https://www.youtube.com/watch?v=O3dxjk_E2Ac
• Bruce Bugbee, “PAR, PPF, PPFD, and PFD Explained”, June 27, 2019, https://www.youtube.com/watch?v=UZO8Fb0ryW8
• Bruce Bugbee, “Cannabis Grow Lighting Myths and FAQs with Dr. Bruce Bugbee”, Jan 9, 2020, https://www.youtube.com/watch?v=ID9rE5JewVg
• Ledtonic, “DLI (Daily Light Integral) Chart - Understand your plants’ PPFD & photoperiod requirements”, May 28, 2019, https://www.ledtonic.com/blogs/guides/dli-daily-light-integral-chart-understand-your-plants-ppfd-photoperiod-requirements
• Fluence By OSRAM, https://fluence.science/science-articles/
• Khan Academy, “Plant responses to light”, https://www.khanacademy.org/science/biology/plant-biology#plant-responses-to-light-cues
• The Urban Vertical Farming Project, “LEDs For Vertical Farming: Buying Guide For Lights”, June 13, 2017, https://urbanverticalfarmingproject.com/2017/06/13/led-light-buying-guide-for-vertical-farming/

🌡 温度

すべての植物には、最低温度（T𝑏𝘢𝘴𝘦）、最適温度（T𝘰𝘱𝘵）、および最高温度（T𝘮𝘢𝘹）があります。これらの温度範囲は、成長段階によって異なる場合があります。

［画像］

決定的に重要なのは、成長率と成長の質とのトレードオフです。高い温度はより速い成長をもたらす可能性がありますが、茎が細くなり、根が弱くなり、風味が低下する可能性もあります。さらに、温度が高くなると気体の溶解度が低下し、酸素不足のリスクが増加します。

主要な気温測定値は次のとおりです。

DIFが高いと、茎が弱くなる（茎の伸長）可能性があります。

気温とは異なり、根域温度は比較的安定している必要があります。

植物は、低温耐性に応じてグループ化できます。

• 冷涼季（「耐寒性」）
• 中間季（「耐寒性」）
• 暖季（「寒さに弱い」）

植物の温度についてさらに詳しく

• “Chapter 8: Physical Environmental Factors and Their Properties”, Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food, edited by Toyoki Kozai, Genhua Niu, Michiko Takagaki
• Christopher Currey, “Find your just-right temperature”, Oct 3, 2016, https://www.producegrower.com/article/hydroponic-production-primer-temperature/
• Roberto Lopez, “Effects of Temperature on Greenhouse Crops”, Purdue University, http://www.e-gro.org/pdf/206.pdf

🧪 栄養

植物は生存のために17の必須栄養素（「ミネラル」）を必要とします。

これらのうち、植物は空気（CO₂およびO₂）と水（H₂O）から炭素（C）、水素（H）、酸素（O）を自由に取得します。

残りの栄養素は、塩の形で土壌（または代替栽培培地）から取得されます。これは複数のプロセスを通じて行われます：根が栄養素に物理的に接触して成長すること（「根の遮断」）、溶解した栄養素が土壌溶液を通って根に流れること（「質量流」）、そして溶解した栄養素が植物の根の近くの枯渇した土壌に拡散すること（「拡散」）。

窒素（N）、リン（P）、カリウム（K）は最も大量に必要とされます。市販の肥料にはN-P-K比が表示されています。窒素は大気中に豊富（N₂）に存在しますが、植物はアンモニウム（NH₄⁺、酸性効果がある）、硝酸塩（NO₃⁻、塩基性効果がある）、および尿素の形でしか利用できません。

窒素は、クロロフィルを含む多くの植物物質の主要な成分です。葉物野菜（レタスなど）や、果実を付ける作物の栄養成長段階でより多く使用されます。リン、特にカリウムは、トマトなどの果実を付ける作物にとってより重要です。これは、トマトのマクロ栄養素の吸収を経時的に示す次の図に示されています。

［画像: Based on https://www.haifa-group.com/crop-guide/vegetables/tomato/crop-guide-tomato-plant-nutrition］

電気伝導度 (EC)

ECメーターは電気伝導度を測定します。これは、溶液中の溶解した栄養素（ミネラル塩）の量を示す指標です。

注：

• ECは、特定の栄養素の量や比率を決定するために使用することはできません。
• 総溶解固形分 (TDS)メーターは、溶液中のあらゆる種類の溶解固形分（無機および有機）の量を測定します。本質的には、TDSに変換される出力を持つECメーターであり、単位はppmです。参照資料や国、用途によって変換係数が異なる場合があることに注意してください。水耕栽培用栄養素を測定する場合、TDSではなくECのみを使用するのが最善のアプローチです。

pH

［画像: Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Truog_1947_pH_and_nutrient_availability.jpg］

pHは、溶液の酸性度またはアルカリ性度（塩基性度）の尺度であり、酸性とは水素イオン（H⁺）の濃度が高いことを指します。

土壌pHは、植物への栄養素の生体利用可能性に影響を与えるため、非常に重要です。

購入時のアドバイス

• エントリーレベルのECメーター（例：HM Digital EC-3）は20〜30米ドルです。
• エントリーレベルのpHメーター（例：Apera Instruments PH20）は50〜60米ドルです。プロフェッショナルレベルのpHメーター（例：Bluelab pH Pen）は100米ドル以上です。また、pHプローブの洗浄、保管（pHプローブは緩衝液に保管する必要があります）、校正用の液体製品を購入する必要があります。これらはキットとして販売されている場合があります。交換可能なプローブを備えたpHメーターを入手してください。未使用でも、pH電極の寿命はわずか6〜18ヶ月です。
• pHメーターを購入する代わりに、pH指示薬ドロップ、リトマス紙、または自家製の紫キャベツ液から始めることができます。
• 信頼できる測定器メーカーには、Apera Instruments（米国）、Bluelab（ニュージーランド）、Hanna Instruments（イタリア）、HM Digital（韓国）、Milwaukee Instruments（米国）、Oakton Instruments（米国）などがあります。

植物栄養についてさらに詳しく

• UC Nursery and Floriculture Alliance, “English” playlist, https://www.youtube.com/playlist?list=PLGfKOdq24vnL-XPpMQGhfMdHbKOlb-BnO
• Jeff Lowenfels, Teaming with Nutrients: The Organic Gardener’s Guide to Optimizing Plant Nutrition, 2013.
• Mary M. Pratt, Practical Science for Gardeners, 2005.
• Sonneveld and Voogt, Plant Nutrition for Greenhouse Crops.
• “Chapter 11: Nutrition and Nutrient Uptake in Soilless Culture”, Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food, edited by Toyoki Kozai, Genhua Niu, Michiko Takagaki
• Khan Academy, “Acids, bases, and pH”, https://www.khanacademy.org/science/biology/water-acids-and-bases
• Khan Academy, “Biogeochemical cycles”, https://www.khanacademy.org/science/biology/ecology#biogeochemical-cycles
• NM State University, “Science of Agriculture: Cation Exchange”, https://scienceofagriculture.org/ch-cation.php

🟤 栽培培地

土壌は、次の3つの視点から同時に理解するのが最も良いです。

• 物理的側面：土壌は固体、液体、気体の混合物です。通常、50%は水、溶解したミネラル、そして細孔に含まれるさまざまな気体、45%は無機粒子（砂、シルト、粘土）、そして5%は有機物（「土壌有機物」）です。土壌のテクスチャは、砂（最も粗い）、シルト、粘土（最も細かい）粒子の正確な割合によって決まります。

孔隙率は、培地中の水または空気を保持できる細孔（微細な空間）の割合を指します。異なる培地は異なる保水能力を持ちます。例えば、粗粒培地（フォームなど）は保水能力が低い（水を弱く保持する）のに対し、中粒培地（ロックウールなど）は中程度の保水能力を持ち、細粒培地（ピートモスなど）は保水能力が高い（水を強く保持する）です。保水能力と空気孔隙率は、作物と容器のサイズに応じて適切に選択する必要があります。

• 化学的側面：土壌は、有機物および無機粒子の他に、溶解したミネラル（栄養素）を含む水溶液として効果的に機能します。粒子は一般に負の電荷を持っており、正の電荷を持つ栄養素（陽イオン）を引き付けます。これにより、土壌は特定の栄養素を保持および放出することができます。土壌の保持能力は陽イオン交換容量 (CEC)と呼ばれます。

• 生物学的側面：土壌は、細菌や菌根菌を含む微生物の生態系です。Jeff Lowenfels著、Teaming with Microbes: The Organic Gardener’s Guide to The Soil Food Web および Teaming With Fungi: The Organic Grower’s Guide to Mycorrhizae を参照してください。

💧 水

TBD

🔢 データ

https://github.com/CollapseLabs/gardening-for-engineers/blob/master/crops/dist/_crops.csv の概要表と、https://github.com/CollapseLabs/gardening-for-engineers/tree/master/crops/dist の個別のページを参照してください。

提供されているサイズと成熟度の値は比較目的のみです。実際の値は、品種、気候、その他の環境要因、栽培技術によって大きく異なります。

😷 病害虫

TBD

ここでは、生態学的（エコシステム）な視点を持つことが重要です。

🛠 技術とリソース

垂直農業とは、都市部での屋内農業を指し、ニューヨーク市の高層ビルでの初期の概念に基づいて垂直方向にスケールアップします。これは、太陽光の補助または代替としての人工照明の使用を意味します。垂直農場は、日本の用語である人工光型植物工場 (PFAL)としても知られています。垂直農業には、垂直平面での栽培（タワーでの垂直栽培、ラックでの水平栽培とは対照的）が含まれる場合と含まれない場合があります。

環境制御農業 (CEA)とは、通常は温室ですが、完全に屋内でも可能な、気候制御された環境での栽培を指します。

水耕栽培

技術：

• Kratky（パッシブ）- 小規模な葉物野菜に最適
• NFT - 大規模な葉物野菜に最適
• Bato Bucket - 小〜中規模の果実作物に最適
• DWC/Raft - 水耕養殖に最適

水耕栽培についてさらに詳しく：

• https://hortamericas.com/grower-resources/
• https://generalhydroponics.com/knowledgebase
• http://howardresh.com/
• https://blogs.cornell.edu/cornellcea/
• https://blogs.cornell.edu/cornellcea/files/2020/05/Guide-To-Home-Hydroponics-For-Leafy-Greens.pdf
• https://ceac.arizona.edu/resources/intro-hydroponics-cea
• Hydroponic Food Production: A Definitive Guidebook for the Advanced Home Gardener and the Commercial Hydroponic Grower, Howard M. Resh
• Plant Factory: An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food, edited by Toyoki Kozai, Genhua Niu, Michiko Takagaki
• Plant Empowerment: The Basic Principles by Peter Geelen, Peter van Weel and Jan Voogt
• https://scienceinhydroponics.com/
• https://www.youtube.com/user/TheFarmerTyler

オンラインコース：

• Upstart University - 有料、商業用水耕栽培または水耕養殖生産に焦点

自動化：

• DFRobot: KnowFlowの構築：自動水モニター、自動水交換システムの作成方法

温室栽培

• 温室シミュレーションモデル：https://gpe.letsgrow.com/
• http://www.e-gro.org/
• https://www.backpocketgrower.org/

コンテナガーデニング

• 種子トレイ用土 vs 植え付け用土
• キノコバエ：https://ucanr.edu/blogs/blogcore/postdetail.cfm?postnum=25318

自動化：

• Xiaomi Flower Care (MiFlora) センサー：https://github.com/vrachieru/xiaomi-flower-care-api
• DFRobot: EcoDuino - 自動植栽キット

裏庭/区画ガーデニング

方法論：

• Square Foot Gardening by Mel Bartholomew
• GROW BIOINTENSIVE Sustainable Mini-Farming by John Jeavons and Ecology Action
• SPIN Gardening by Wally Satzewich, Gail Vandersteen, Roxanne Christensen

技術：

• https://en.wikipedia.org/wiki/H%C3%BCgelkultur

一般的な園芸/都市農業コース

• The Market Gardener（カナダ） - 有料

• https://design.agritecture.com/learn/

• GIY (Grow It Yourself)（アイルランド） - 無料12週間コース

• Vegetable Academy（カナダ） - 無料/有料

• https://www.purdue.edu/dffs/urbanag/programs/urban-ag-certificate/ - 有料

• https://hort.ifas.ufl.edu/training/ - 有料

• http://www.canr.msu.edu/online-college-of-knowledge/ - 有料

コンパニオンプランツ

• Carrots Love Tomatoes: Secrets of Companion Planting for Successful Gardening
• Rodale’s Successful Organic Gardening: Companion Planting

都市農業と市場栽培のリソース

• https://urbanagnews.com/
• https://www.agritecture.com/blog/
• https://urbanverticalfarmingproject.com/
• https://www.facebook.com/groups/134018140298600/

TBD

• https://en.wikipedia.org/wiki/Reduction_potential

• https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_water#Measurement

• https://en.wikipedia.org/wiki/Leaf_area_index

• https://en.wikipedia.org/wiki/Vapour-pressure_deficit

経済性

典型的な水耕栽培温室のコスト（出典：ZipGrow http://blog.zipgrow.com/modern-hydroponic-production-why-all-the-right-people-are-wrong）：

• 人件費：総コストの60%（そのうち約60%は収穫・梱包）
• エネルギー：総コストの10〜15%（照明および暖房/冷房用）
• 包装・マーケティング：総コストの8%
• 資材：総コストの7%
• 水：総コストの5%
• その他：総コストの3%
• 保険：総コストの2%

こちらも参照してください

• https://jordbruksverket.se/v%C3%A4xthuskalkyler（スウェーデン）

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