園林照明光源光譜與植物作用關(guān)系研究*

楊春宇 段 然 馬俊濤 YANG Chunyu, DUAN Ran, MA Juntao

園林照明光源光譜與植物作用關(guān)系研究*

楊春宇 段 然 馬俊濤 YANG Chunyu, DUAN Ran, MA Juntao

摘 要城市之中隨處可見(jiàn)園林夜景照明，但我國(guó)缺乏園林夜景的照明技術(shù)規(guī)范，濫用光源的現(xiàn)象較為普遍。不科學(xué)的光源光譜使園林夜景效果不佳，干擾了植物健康生長(zhǎng)。文章從光譜理論的角度分析了光源光譜與植物葉片反射光譜、植物光合有效輻射圖譜的關(guān)系，得出光譜連續(xù)的白光光源使園林夜間視覺(jué)效果較好、但影響植物生長(zhǎng)的結(jié)論；金鹵燈、高壓鈉燈使園林夜間視覺(jué)效果與原植物有一定差距，但對(duì)植物生理影響較小。研究結(jié)果對(duì)園林夜景設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞園林夜景；植物照明；植物生長(zhǎng)；光譜；植物反射光譜

楊春宇, 段然, 馬俊濤. 園林照明光源光譜與植物作用關(guān)系研究[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2015, 30(06): 24-27.

0 引 言

城市夜景建設(shè)吸引了夜間旅游休閑消費(fèi)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。城市夜景形象塑造需要對(duì)園林植物進(jìn)行人工照明，幾乎所有城市都可見(jiàn)到植物夜景照明。園林夜景照明是城市景觀照明的重要組成部分，科學(xué)的園林夜景照明既要滿足園林夜景的審美要求,又要符合園林植物的生長(zhǎng)規(guī)律。植物是園林景觀中具有生命的造景元素，是景觀形成的重要基礎(chǔ)和夜景照明的重要物質(zhì)載體，也是表現(xiàn)力極強(qiáng)的夜間標(biāo)志，能增強(qiáng)園林在夜間的可識(shí)別性[1]。目前，園林方面研究主要集中在日間園林景觀形象上[2]，夜間照明研究主要集中在建筑物景觀照明上[3]。而園林景觀植物夜景照明缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，植物照明缺乏技術(shù)指導(dǎo)，濫用各種光源照射植物的現(xiàn)象較為普遍。

運(yùn)用不恰當(dāng)?shù)娜斯す庹?，?huì)造成園林植物夜間色彩失真。光源色與園林植物本身的固有色[4]相互作用[5]，形成與白天不一樣的感覺(jué)，使人視覺(jué)不舒適[6]，其呈現(xiàn)效果差，無(wú)法營(yíng)造夜間氣氛，也不能展現(xiàn)園林植物特點(diǎn)。同時(shí)，由于人為增加光照對(duì)植物有多種影響，還需要考慮光源光譜與植物生長(zhǎng)的關(guān)系[7]。植物在進(jìn)化過(guò)程中形成了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，夜景照明每天延長(zhǎng)的3小時(shí)左右光照量，打破了植物原本對(duì)所處光氣候區(qū)光照的適應(yīng)性，造成了園林植物生理生化指標(biāo)紊亂，影響其正常生長(zhǎng)，甚至使其枯萎死亡[8-9]。因此，對(duì)園林照明光源光譜進(jìn)行參數(shù)定量研究，從光源光譜與物體反射光譜曲線角度進(jìn)行理論分析，確定適合的園林夜景照明光源，使園林照明設(shè)計(jì)具有科學(xué)性，對(duì)減少對(duì)植物生態(tài)境影響具有重要意義。

1 植物光合有效輻射與光譜光視效率

人眼對(duì)光譜的敏感性與植物對(duì)光譜的敏感性不同。人眼最敏感的光譜為555nm，介于黃—綠光之間，對(duì)藍(lán)光區(qū)域與紅光區(qū)域光譜敏感性較差。植物則對(duì)藍(lán)光與紅光光譜最為敏感，對(duì)黃光、綠光敏感性較低。植物對(duì)光譜敏感性差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人眼差異?？傮w來(lái)說(shuō)，植物對(duì)光輻射光譜中波長(zhǎng)為400~700nm區(qū)域非常敏感，植物體內(nèi)葉綠素a吸收光譜的高峰值是440nm附近的藍(lán)光及680nm附近的紅光；葉綠素b吸收光譜的最高峰值是470nm和650nm（圖1）。

2 光源光譜與植物反射光譜

2.1 光譜相互作用關(guān)系

園林植物材質(zhì)與顏色豐富，目前的園林夜景照明多從審美藝術(shù)方面考慮，缺乏科學(xué)的照明技術(shù)參數(shù)（圖2）。在園林照明環(huán)境中，不同適應(yīng)亮度環(huán)境下被激活的人眼感光細(xì)胞對(duì)于光譜的響應(yīng)敏感度存在明顯差異[8]，光源光譜能量分布對(duì)人的視覺(jué)產(chǎn)生重要影響。園林夜景照明中所呈現(xiàn)的效果是由光源色與園林植物色所決定的，光譜的相互作用會(huì)影響園林植物夜間視覺(jué)效果。不同園林植物景觀由于其表面材質(zhì)差異大及受照面角度不同，其光譜反射率也不盡相同。筆者利用光譜輻射照度計(jì)對(duì)園林植物葉片進(jìn)行了天然光（日光）下反射光譜的測(cè)量（圖3）。測(cè)量表明，植物葉片反射光譜與日光光譜是比較接近的，體現(xiàn)了植物葉片對(duì)日光的適應(yīng)性。

圖1 植物光合有效輻射與光譜光視效率 (a)植物光合有效輻射(b)光譜光視效率Fig.1 plant photosynthetic radiation spectrum (a) and visual spectrum (b)

圖2 園林夜景照明現(xiàn)狀圖Fig.2 the status quo of garden nightscape lighting

2.2 人工光源光譜與植物反射光譜

在園林夜景照明中，常用光源為熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED等光源。測(cè)量光源光譜與該光源下植物葉片反射光譜曲線（圖4），分析其曲線后得出：光譜較為連續(xù)的白光光源（圖4a）[9]與自然光照下植物反射光譜曲線比較相近，視覺(jué)觀察其植物的夜間色彩更接近自然狀態(tài)，是較為適合的對(duì)園林植物的夜景照明光源，如熒光燈、LED光源。光譜較為不連續(xù)光源時(shí)，反射光譜部分缺失，使園林植物夜間顏色偏離自然狀態(tài)，或使植物色彩更偏向于光源本身的光源色，如高壓鈉燈、金鹵燈等。因此，在夜景設(shè)計(jì)時(shí)需要謹(jǐn)慎選擇。

在園林照明中，單色光光譜光源也有少量應(yīng)用。單色光一般指飽和度較高的光源，半峰全寬通常小，不恰當(dāng)應(yīng)用時(shí)將會(huì)帶來(lái)較差的視覺(jué)效果，且由于單色光光譜所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍非常窄，與景觀植物作用后，反射光譜也在相應(yīng)的窄波段范圍。單色光源照射后物體色與單色光光源色非常接近，不適合于大面積園林照明。

圖3 日光光譜以及植物葉片光譜反射率Fig.3 solar spectrum and the spectral reflectance of plant leaves

3 園林照明光源光譜對(duì)植物的影響

3.1 光譜與植物生長(zhǎng)關(guān)系

光譜是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的誘導(dǎo)信號(hào)，不同光譜成分被植物體內(nèi)的光受體所感知，進(jìn)而控制器官分化、光周期等[10-11]。光譜調(diào)控植物光合作用，如光譜能量較高的紅光，通過(guò)抑制光合產(chǎn)物的輸出來(lái)增加葉片淀粉含量，增加葉片厚度[12]；藍(lán)光調(diào)控葉綠素的形成、氣孔開(kāi)閉及光合節(jié)律等生理過(guò)程[13]。人工光源光譜能量分布在315~400nm（紫）之間，葉綠素吸收光能少，影響光周期效應(yīng)，阻止莖伸長(zhǎng)；在400~520nm（藍(lán)）之間，葉綠素與類(lèi)胡蘿卜素吸收比例大，促進(jìn)光合作用；在520~610nm（綠）之間，葉片對(duì)光線反射，不吸收；610~720nm（紅）之間，葉綠素吸收率低。

圖4 光源光譜與植物反射光譜：(a)熒光燈 (b)高壓鈉燈 (c)金鹵燈 (d)白光LEDFig.4 light source spectrum and reflectance spectrum of plants: (a) fluorescent lamp (b) HPS (c) metal halide (d) white LED

3.2 人工光源光譜與植物生長(zhǎng)

將園林植物光合有效輻射圖譜與光源光譜相結(jié)合比較（圖5），植物光合有效輻射圖譜與金鹵燈光譜比較，金鹵燈波峰范圍在500~600nm之間時(shí)，可提供部分植物生長(zhǎng)所需光譜，而大部分光源光譜對(duì)植物生長(zhǎng)不起作用。植物光合有效輻射圖譜與LED白光光譜比較，白光LED提供植物生長(zhǎng)所需藍(lán)光光譜及部分紅光光譜，易被植物所吸收，會(huì)影響植物生理生化作用，最終影響植物生長(zhǎng)。植物光合有效輻射圖譜與高壓鈉燈光譜比較，高壓鈉燈光譜不連續(xù)，僅能為植物生長(zhǎng)提供有限的有效能量。

植物光合有效輻射圖譜與LED單色光（紅、藍(lán)）光譜進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)植物光合有效輻射圖譜可知其紅藍(lán)比約為4:1~9:1，在此配比的紅藍(lán)光LED可為植物形態(tài)誘導(dǎo)及植物生長(zhǎng)提供充足的光譜能量，但是紅藍(lán)配比光源照射下的植物呈粉紅色，視看效果不佳，不利于園林夜景照明的大面積應(yīng)用。

考慮到光譜對(duì)園林植物生長(zhǎng)的影響，在園林植物夜景照明設(shè)計(jì)中，可選擇植物不易吸收的光譜能量光源進(jìn)行照明，如高壓鈉燈及金鹵燈；若需要對(duì)園林植物形態(tài)、顏色及生長(zhǎng)周期進(jìn)行誘導(dǎo)，則選擇能夠提供植物生長(zhǎng)所需光譜的光源進(jìn)行照明，如白光LED或根據(jù)植物光合有效輻射圖譜射得出的紅藍(lán)配比為4:1~9:1的LED光源。

圖5 植物光合有效輻射與光源光譜對(duì)比示意圖 (a)金鹵燈 (b)白光LED (c)高壓鈉燈 (d)LED單色Fig.5 comparison of the plant photosynthetic radiation spectrum and the light source spectrum (a) metal halide (b)white LED (c)HPS (d)monochromatic LED

4 結(jié) 論

不科學(xué)的園林夜景照明既無(wú)法展現(xiàn)園林植物自身的藝術(shù)魅力，也影響園林植物的健康生長(zhǎng)。筆者通過(guò)對(duì)園林照明常見(jiàn)光源光譜的測(cè)量分析，探討了不同光源光譜用于園林夜景設(shè)計(jì)的視覺(jué)效果；將植物有效生理輻射光譜與光源光譜進(jìn)行重合比較，討論了不同光源對(duì)園林植物生理生化的影響。通過(guò)園林照明光源光譜與植物作用關(guān)系影響分析，得到以下結(jié)論：（1）相對(duì)光譜較連續(xù)的白光光源夜間再現(xiàn)植物原樣效果較好，如白光熒光燈及LED；白光金鹵燈由于不是連續(xù)的光譜，園林夜間效果呈現(xiàn)一般；高壓鈉燈光譜的作用效果偏向于黃色色域，使園林植物夜間色彩偏離植物原樣，需謹(jǐn)慎選擇使用。（2）單色光光譜光源會(huì)造成嚴(yán)重的植物夜間效果偏差，配比后的單色光更會(huì)呈現(xiàn)較差的色彩，單色光對(duì)植物生長(zhǎng)影響較大，不利于園林夜景照明大面積應(yīng)用。（3）根據(jù)光源光譜能量分布分析，熒光燈光譜能量分布具有連續(xù)光譜特點(diǎn)，能提供植物生長(zhǎng)所需的大部分光譜能量，但由于熒光燈燈形等原因，難以廣泛應(yīng)用于園林夜景照明；高壓鈉燈與金鹵燈光譜是非連續(xù)光譜，僅為植物生長(zhǎng)提供有限的有效能量，對(duì)植物生長(zhǎng)影響較??；白光LED光譜能量分布能提供植物生長(zhǎng)所需藍(lán)光光譜及少量紅光光譜，對(duì)植物生長(zhǎng)影響較大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬原. 園林夜景觀營(yíng)造探究[D]. 西安: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2007. 6-7.

[2] 李莉, 許薌斌. 重慶地區(qū)鄉(xiāng)土蕨類(lèi)植物的園林造景應(yīng)用[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2013, 28(06): 87-93.

[3] 任東飛, 郭書(shū)金. 從“月色皎潔”到“光怪陸離”的退變——色光在城市夜景照明設(shè)計(jì)中應(yīng)用的思考[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2014, 29(05): 105-109.

[4] 朱介英. 色彩學(xué)——色彩設(shè)計(jì)與配色[M].北京: 中國(guó)青年出版社, 2004.

[5] Wang T, Ma J, Liu G, et al. Research on a Quantificational Method for Chromaticlight Emotions of Architectural Wall Coatings in Landscape Illumination[J]. Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China, 2010, 4(04): 498-502.

[6] 郝洛西. 關(guān)于我國(guó)城市夜景照明發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J]. 建筑學(xué)報(bào)，2002(07): 39-41.

[7] 張渝文, 李鑫. 城市夜景照明光污染對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[J]. 燈與照明, 2008(01): 27-29.

[8] 高鴻磊, 諸定昌. 植物生長(zhǎng)與光照的關(guān)系[J]. 燈與照明, 2005(04): 1-4.

[9] 段然, 張婷, 陽(yáng)婷婷, 等. 園林夜景照明光污染及控制措施[J]. 燈與照明, 2014(03): 4-6.

[10] 余叔文, 湯章城. 植物生理與分子生物學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1998: 633-654.

[11] 陳汝民. 現(xiàn)代植物科學(xué)引論[M]. 廣州: 廣東高等教育出版社, 1995: 415-428.

[12] 夏叔芳, 于新建, 等. 葉片光合產(chǎn)物輸出的抑制與淀粉和蔗糖的積累[J]. 植物生理學(xué)報(bào), 1981, 7(02): 135-142.

[13] 江明艷, 潘遠(yuǎn)智. 不同光質(zhì)對(duì)盆栽一品紅光合特性及生長(zhǎng)的影響[J]. 園藝學(xué)報(bào), 2006, 33(02): 338-343.

圖片來(lái)源：

圖1-5：作者拍攝繪制

（編輯：盧一欣）

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478060）

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150606

中圖分類(lèi)號(hào)TU113.6+66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文 章 編 號(hào)2095-6304(2015)06-0024-04

收稿日期：2015-12-09

作者簡(jiǎn)介

楊春宇： 重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院,山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，博士生導(dǎo)師，ycull@163.com

段 然： 重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，博士研究生

馬俊濤： 重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，博士研究生

The Study of Garden Lighting Spectrum and Plants

Abstract:Garden nightscape is developed in Chinese cities. However, due to a lack of standards for lighting technology, it is prevailing that the lighting in cities is not used properly. Unscientific lighting spectrum results in poor effects, and interferes with the growth of plants. By analyzing the relations among lighting spectrum, reflectance spectrum of plant leaves and photosynthetic radiation spectrum, this paper finds that continuous spectrum light source provides the gardens with better night vision, but also affects plant growth. Whereas metal halide and high pressure sodium lamp’s effects differs from original garden plants and has little effect on plant physiology. The essay tries to use landscape illumination technique to deal with plant health.

Keywords:Garden Nightscape; Plant Lighting; Plant Growth; Spectrum; Plant Reflection Spectrum