光合成の測定装置は、「葉緑素の量を測る」「光化学系の働きを測る」「CO2の吸収速度を測る」の3系統に分かれ、同じ“光合成の測定”でも分かることがまったく違います。この記事では、葉緑素計（SPAD）・クロロフィル蛍光測定装置・光合成蒸散測定装置の違いと選び方、葉色診断との関係、分光カメラで面として測る方法を整理しました。
先に結論を書きます。光合成の「速度」そのものを測れるのは、葉をチャンバーで挟んでCO2の出入りを測るガス交換方式（光合成蒸散測定装置）だけです。葉緑素計は葉の色素量、クロロフィル蛍光は光化学系IIの効率を示す指標で、どちらも光合成速度の“代わりの手がかり”です。研究で光合成速度を論じるならガス交換、圃場で多数の葉を素早く比べるなら葉緑素計や蛍光、株やほ場全体のばらつきを見たいなら分光イメージング、と目的で使い分けるのが基本です。
光合成の測定装置は3系統｜何を測っているかで分ける
光合成は「光を吸収する（色素）」「吸収した光を化学エネルギーに変える（光化学系）」「そのエネルギーでCO2を固定する（炭素同化）」という段階で進みます。測定装置は、このどの段階を見ているかで3系統に分かれます。
系統 | 代表的な装置 | 測っているもの | 1点の測定時間の目安 | 向いている用途 |
|---|---|---|---|---|
葉緑素量 | 葉緑素計（SPAD値） | 赤と近赤外の透過率の差から推定した葉緑素の量 | 数秒 | 施肥判断、多数の葉の比較 |
光化学系の効率 | クロロフィル蛍光測定装置（PAM方式など） | 光化学系IIの量子収率（Fv/Fm、ΦPSII）、電子伝達速度 | 数秒〜（暗順応が必要な指標は事前に十数分〜） | ストレス・光阻害の評価、品種比較 |
炭素同化（光合成速度） | 光合成蒸散測定装置（ガス交換） | CO2吸収速度・蒸散速度・気孔コンダクタンス | 1条件で数分（応答曲線は数十分〜） | 研究、環境制御の条件検討 |
（面での推定） | 分光カメラ・ハイパースペクトルカメラ | 反射スペクトルから計算した色素・生理状態の指標 | 撮影は数秒、解析は別途 | 株・群落・ほ場のばらつきの把握 |
3系統は優劣ではなく、見ている段階が違います。たとえば窒素不足で葉緑素が減れば葉緑素計の値は下がりますが、強い日差しで一時的に光合成が落ちている状態は、葉緑素量が変わらないため葉緑素計では見えません。逆に、蛍光で効率の低下が見えても、それが気孔が閉じてCO2が入らないせいなのかは、ガス交換を測らないと切り分けられません。
葉緑素計（SPAD）｜速くて安いが、測るのは「量」
葉緑素計は、葉を挟んで2つの波長の光を透過させ、その差から葉緑素量の相対値を出す装置です。代表機種のコニカミノルタ SPAD-502Plus は、葉緑素がよく吸収する赤色域（650nm付近）と、ほとんど吸収しない近赤外域（940nm付近）の透過率から値を算出し、測定面積は2×3mmです（Konica Minolta Sensing Europe：SPAD-502Plus）。
- 強み: 1葉数秒で測れ、電源も小さく圃場で扱いやすい。施肥基準がSPAD値で示されている作物もあり、現場の判断に直結しやすい。
- 限界: 測るのは2×3mmの1点の色素量で、光合成の働きそのものではない。葉の厚さや品種で値の意味が変わるため、作物・品種ごとに基準を持つ必要がある。
葉色から窒素状態をどこまで読めるかは、葉色診断で窒素がどこまで分かるかを4手法で比べた記事で詳しく整理しています。
クロロフィル蛍光測定装置｜光化学系の「効率」を見る
葉緑素が吸収した光の一部は、蛍光として再び放出されます。この蛍光の強さの変化から、光化学系IIがどれだけ効率よく光を使えているかを推定するのがクロロフィル蛍光法です。代表的な指標は次の2つです。
- Fv/Fm: 暗所に置いた葉で測る光化学系IIの最大量子収率。健全な葉では0.8前後の値をとることが多く、低温・高温・強光などのストレスで下がります（Maxwell & Johnson, Journal of Experimental Botany, 2000）。
- ΦPSII（実効量子収率）・ETR（電子伝達速度）: 光が当たっている状態での効率と、そこから計算した電子の流れの速さ。
蛍光法は非破壊で数秒から測れ、ストレスを受けた葉を見た目の変化より早く捉えやすいのが利点です。一方で、Fv/Fm のように暗順応（葉を一定時間暗所に置くこと）が必要な指標は、測定前の準備に時間がかかります。また、蛍光の値はあくまで光化学系の効率であり、CO2の固定量に直接換算できるわけではありません。
光合成蒸散測定装置｜光合成「速度」を直接測る唯一の方式
光合成蒸散測定装置は、葉をチャンバーに挟み、流入する空気と流出する空気のCO2・水蒸気濃度の差から、光合成速度と蒸散速度を求める装置です。赤外線ガス分析計（IRGA）を使うのが一般的で、光の強さ・CO2濃度・温度・湿度をチャンバー内で制御しながら測れます。
代表機種の LI-COR LI-6800 は、ガス交換とクロロフィル蛍光（PAM方式）を同じ葉面積で同時に測れる構成を用意しています（LI-COR：LI-6800 Portable Photosynthesis System）。ガス交換と蛍光を同時に測ると、光化学系の電子の流れからCO2の固定までを葉の単位で追えるため、研究ではこの組み合わせが標準的に使われています。
- 強み: 光合成速度（μmol CO2 m⁻² s⁻¹）を直接出せる。光-光合成曲線、CO2-光合成曲線など、条件を変えた応答を測れる。
- 限界: 1条件の測定に数分、応答曲線なら1葉で数十分かかる。装置が高価で、校正と操作に習熟が要る。1回に測れるのはチャンバーに入る数cm²の葉だけ。
目的別の選び方｜判定チャート
どの装置を選ぶかは、「何を判断したいか」と「何点測りたいか」で決まります。次の順に確認すると絞り込めます。
確認すること | 答え | 候補 |
|---|---|---|
Q1. 光合成速度の数値そのもの（論文・環境制御の条件比較）が必要か | はい | 光合成蒸散測定装置（ガス交換）。蛍光の同時測定を推奨 |
Q2. 知りたいのは施肥・窒素の過不足か | はい | 葉緑素計。作物ごとの基準値と組み合わせる |
Q3. 知りたいのはストレス（高温・乾燥・病気など）の早期の兆候か | はい | クロロフィル蛍光。見た目に出る前の変化を捉えやすい |
Q4. 1枚の葉ではなく、株・ハウス・ほ場の中のばらつきを見たいか | はい | 分光カメラ・ハイパースペクトルカメラで面として撮り、点測定の装置で一部を検証する |
現場で多いのは、Q2〜Q4が同時に当てはまるケースです。その場合、すべての葉をガス交換で測るのは現実的ではないので、「面で撮って異常の出ている場所を見つけ、そこだけ点測定で確かめる」という組み合わせが、手間と精度のバランスを取りやすくなります。
分光カメラで「面」として測る｜できることと限界
葉の反射スペクトルには、色素の量だけでなく、光の使い方の変化も表れます。よく知られているのが PRI（光化学反射指数）で、531nm と 570nm の反射率から計算し、キサントフィルサイクル色素の変化を通じて光利用効率の日変化を追えることが報告されています（Gamon ほか, NASA Technical Reports Server 収録）。NDVI のような植生指数が主に「緑の量」を見るのに対し、PRI は「光合成の調子」に近い情報を持つ点が違いです。植生指数の種類と使い分けはNDVIの見方と植生指数7種の使い分けの記事にまとめています。
ハイパースペクトルカメラは、こうした指数を計算するための波長を1回の撮影でまとめて取得し、葉や株の中のどこで値が違うかを画像として示せます。仕組みについてはハイパースペクトルカメラの原理とRGBとの違いで解説しています。ただし、正直に書いておくべき限界があります。
- 光合成速度の数値は出ない: 反射スペクトルから得られるのは指標であり、μmol CO2 m⁻² s⁻¹ の値に換算するには、ガス交換の実測との対応づけ（検量線）が対象ごとに必要です。
- 照明条件の影響を受ける: 屋外では日射の強さや角度で反射率が変わります。PRI も照明条件や測定スケールで相関が変わることが知られており、白色板での補正や撮影条件の統一が欠かせません。
- 作物・品種ごとの検証が要る: ある作物でうまくいった指標が、別の作物でそのまま使えるとは限りません。
つまり分光カメラは、光合成蒸散測定装置の置き換えではなく、「どの葉・どの株を点測定すべきか」を見つける道具として使うと力を発揮します。
私たちは国産ハイパースペクトルカメラ irodori を開発しています。記事の途中で恐縮ですが、生育の状態を株やハウス単位で見比べたいとお考えでしたら、どのような波長で何が測れるか、製品ページをご覧いただけたら嬉しいです。
導入前に決めておく3つのこと
どの方式を選ぶ場合も、次の3つを先に決めておくと、装置選びと検証がぶれにくくなります。
- 何の判断に使うか: 施肥量を決める、品種を選抜する、ハウスの環境制御を調整する、など。判断が決まれば必要な精度と測定点数が決まります。
- 基準となる測定をどれにするか: 分光カメラや葉緑素計を使う場合でも、比較の基準として一部はガス交換や化学分析で測っておくと、指標の意味を確かめられます。
- いつ・どの条件で測るか: 光合成は時刻・天候で大きく変わります。比較するなら、測定時刻や光の条件をそろえる手順を決めておきます。
生育診断の手法全体（ドローン・衛星・地上センサー）を比べたい場合は、ドローン生育診断の手法6つを比較した記事、水分ストレスに絞るなら作物の水ストレス診断4系統の比較も参考になります。
私たちはこれまで、食品・農業・インフラ・医療などの現場とともに、ハイパースペクトルカメラの実証を重ねてきました。受賞歴や学術成果は実績一覧にまとめています。自分たちの作物で何が測れそうか、まずは資料で全体像をつかんでいただき、必要であれば実機での確認もご相談ください。
