植物照明的生态环保研究

2013-12-04王钧锐

照明工程学报 2013年2期

李农王钧锐

(北京工业大学城市照明规划设计研究所，北京 100124)

1 引言

大规模的城市夜景照明建设使整个城市绽放流光溢彩的同时，所产生的光污染对人类及全球生态环境的危害也日益严重，其中对植物的危害已成为生态保护中的热点议题之一。经过千万年的演化，每种植物所能承受的环境参数阈值是由自然光唯一确定的，而夜间人工照明的出现恰恰改变了这种原生态光环境。然而人工光源与太阳一样都是通过光照强度、光质、光照时间等方面来影响植物的，本文通过对国内外近年来植物照明的相关文献的研究分析，以光对植物的作用机理为理论基础，系统的阐述了光污染对城市绿化常见植物造成的影响和危害，并针对不同耐荫性的植物分别提出了更加满足生态环保要求的照明参考指标。

2 光对植物的作用及影响

2.1 光照强度对植物的作用及影响

光是绿色植物的生存条件之一，也正是绿色植物通过光合作用将光能转化为化学能，为地球上的生物提供了生命活动的能源。光照的强弱在植物的生长发育中起着非常重要的作用，植物通过千百年的选择与进化，已逐渐形成一套对光强的喜好选择。植物根据其耐荫性的不同 (也就是植物对光强度的适应能力)，大致分为喜光植物、耐荫植物、阴生植物三种［1］。

光照强度对植物的影响，主要体现在植物的光合作用上。植物对光照强度的要求有一个上限，即光饱和点。当光照强度达到植物的光饱和点时，植物的光合作用达到顶峰，而当光照强度继续增强超过植物的光饱和点后，植物的光合作用不但不会提高，反而会下降，植物自身便会产生光抑制现象，光照强度越高，植物受到的伤害就越大。因此，城市中的绿化植物受夜景照明光强度影响较大的是偏阴性的耐荫植物和阴生植物。此类植物的光饱和点比偏喜光的耐荫植物和喜光植物低，例如竹芋属植物在光照较强时，叶子会折叠或关闭，如果更强时，叶片就会被灼伤;还有一些耐荫性强、具有艳丽色彩的植物，如彩虹铁树、红边铁树等，当光照过强时，其枝干的颜色变浅、变淡，叶片干燥，严重影响其生长［2］。

这些伤害一般是由于两种原因造成的:一是光强太强时植物的内部蒸腾作用过快会导致代谢失衡，植物内外都会受到灼伤，进而导致树叶枯黄缺水以至枯竭死亡;二是由于产生了光抑制现象而停止生长。这种光抑制现象的作用原理近年来才被美国的科学家所揭露:植物都有一套天然的自我保护机制，植物通过叶绿素和胡萝b素吸收阳光中的能量，如果光照过强，这些分子吸收的能量过多，就会产生有害物质活性氧自由基［3］。这两种现象 (蒸腾过快和光抑制)都是由于光照强度不适对植物产生的影响和伤害。

2.2 光质对植物的作用及影响

光是太阳辐射能以电磁波的形式投射到地球的辐射线，其能量的99%集中在波长为150～4000nm的范围内。人眼能看到的波长范围为380～780nm，即称为可见光部分。对植物生长起着重要作用的波长范围主要是可见光部分。

在光辐射中，植物对于光谱中波长范围约在400～700nm之间的区域非常敏感，该波长范围内的光被称为促进光合作用的辐射［4］。这个波长范围与可见光的波长范围基本吻合。不同波长的光对植物起着不同的作用，比如红光的波长较长，主要提供植物光合作用的动力，有利于植物的光合作用和叶绿素的形成，并有利于茎的生长，促进植物的开花;波长较短的青蓝紫光可以为光合作用中的化学反应提供能量和催化，同时可抑制植物的伸长，促进细胞分化;黄绿光色介于这两者之间，很难得到利用，植物吸收的黄绿光多被反射，因此叶片呈绿色。

光质是影响植物正常生长发育的重要因素。从光源角度来看，夜间人工照明的不同光源发出不同波长的光质对植物产生的生理作用不同;从植物的角度来说，植物的光形态建成和光合作用都依赖于某些特定的波长。也就是说，光质除了作为一种能源来控制光合作用，还作为一种触发信号影响植物的生长。不适宜的波长呈现出的灯光颜色会使植物的生命活动发生紊乱致使其患病甚至死亡。

目前城市照明和植物景观照明常用的光源有荧光灯、汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯和LED光源。光源中的高压钠灯所产生的红色可见光和不可见的红外线较多，其中红外线照射可能会使植物受到不良诱导而改变其生理生态特性，如改变植物的生长周期，影响植物幼芽的萌发等;而红橙波段是植物最易吸收的波段，过多的红光照射，则会使植株一直处于光合作用的状态，长久下来会使植物花芽过早的形成，同时使植株过分延长生长而导致营养缺乏。高强度的荧光灯、汞灯和金属卤化物灯因其发出的波长，主要覆盖电磁光波中可见光谱的较短波长范围，所以对植物的影响相对较小。但青蓝紫等短波光长时间作用在植物身上会抑制植物的伸长而导致矮化，高山植物茎干粗短、叶面缩小、毛绒发达，也是由短波光较多所致。因此在夜晚多用蓝紫光照射的植物长期会出现植株矮小、发育不良等症状。在植物景观的照射时，经常会见到绿色的投光灯打亮植物的表现手法。黄绿光处于长短波中间，是最不易于植物吸收的一种辐射，植物吸收的黄绿光大多被植物叶片反射，因此植物的叶片才呈现绿色［5］。表1为几种光源发出的光谱对植物影响大小的比较。

表1 不同光源发出的光谱对植物影响大小的比较Table 1 Comparison of the effect on plants of the spectrum emitted by different light sources

2.3 光照时间对植物的作用及影响

植物千百年来已经形成了固定的光周期规律，光照和黑夜交替长短的变化，对植物开花、结实、落叶和休眠有很大影响。植物和人类一样有固定的时钟和日历，它们对于时间的响应基于光的数量和质量。植物在一天中的功能持续24小时，包括12～16小时的阳光和8～12小时的夜晚。光触发植物功能的开始和结束。植物在24小时中经历的夜晚是影响植物生长和开花的关键。对于植物来说夜晚是必需的。

植物根据昼夜周期诱导植物开花的时长分为长日照植物、短日照植物、中日照植物和中间性植物，每种植物开花期间所需的光照时长如表2所示。

表2 不同类型植物开花前所需光照时间表Table 2 Illumination time required for different types of plants before flowering

现如今，越来越多的城市照明延长了白天的时间，甚至很多城市被冠以“不夜城”的称号。殊不知当植物无法得到夜晚的黑暗就如同人的生物钟被打乱，会自身出现生理压力，容易被许多病毒感染，可能变的很虚弱，直到最后死亡［6］。

植物对白日 (光照)和黑夜 (黑暗)时间长短的反应非常灵敏，许多植物是通过黑夜的长短来控制开花和落叶，长时间、大量的夜间人工光照射，会导致一些植物花芽的过早形成，或是抑制另一些植物的开花。例如每天接受光源照射的时间超过确定的临界值，菊花便不会开花，风铃草则只会开花不会结果［7］。到了夏季转秋的季节，黑夜变长，温度下降，落叶树种若受人工光的影响，打破其本身的光周期规律而不能进行休眠，导致树体组织发育不充实，会使刚萌发，抽生的幼嫩的晚秋梢在第一次寒流来的时候更易遭受低温袭击而出现伤害［8］。

植物在白天利用阳光进行光合作用，但是在夜间也需要休息。光周期的变化在调节植物种子萌发、幼苗生长、茎的伸长、子叶伸展，开花控制、休眠等都起着关键性的作用。植物叶片通过测量黑夜的长短，能够预测季节的变化，这也是触发植物进行落叶和冬眠的信号，树木在夜间受长时间的强光照射，使休眠受到干扰，引起落叶形态的失常和冬芽的形成，如在人工照射下，树木或灌木在秋天仍然会继续生长，在进入霜冻时节，树叶里还会含有叶绿素，会使其落叶期延迟［9］。

3 生态环保的植物照明

基于上文从光照强度、光质、光照时间三方面讲述了光对植物的作用机理，及由于光照不适对植物造成影响和危害的了解，笔者认为可以研究总结出一套基于生态环保理念的植物照明参考指标，不仅可以为植物景观照明设计提供技术参数，同时也可为今后的进一步深入研究打下基础。

在本研究中，我们选择利用植物耐荫性强弱这一分类方法，依照植物耐荫能力的由弱到强，将城市绿化中常见的植物按喜光、耐荫、阴生三大类从光强、光质、光照时间三方面分别做出符合生态环保的夜景照明研究总结。

3.1 植物夜景照明光照强度上限

如前所述，当光照强度达到某一特定值时，植物将达到最大程度光合作用，形成光饱和，若光照强度持续增强，植物将会受到灼伤或形成光抑制现象，从而受到伤害。那么，当植物达到最大程度光合作用 (即光饱和)那一刻的光照强度值，即为我们所要研究的在城市夜景照明下植物所能承受的光照强度上限值。

国内外很多的专家学者针对夜晚不同植物所能承受的最大光照强度做了一系列的人工照明实验。其中两位来自美国的学者 Jennifer Boldt和 John Erwin在美国的花卉和苗圃研究所 (Floriculture and Nursery Research Initiative)以及美国花卉种植者基金会 (The American floral endowment)的资助下，在美国明尼苏达州大学开展了一项探索光照强度对植物光合作用影响的人工照明实验，实验数据表明了这些选取的植物达到最大程度光合作用时的光照强度值，即在夜间照明下植物所能承受的光照强度上限值。实验根据植物耐荫性由弱到强选取了两种喜光植物 (一品红和仙客来)、两种偏喜光的耐荫植物 (凤仙花和天竺葵)及一种偏阴性的耐荫植物(丽格海棠)，测定出它们达到最大程度光合作用时的光照强度分别为275fc(英尺烛光)、200fc(英尺烛光)和100fc(英尺烛光)［10］，换算成国际通用的照度即为2959lx、2152lx和1076lx(1fc=10.76lx)。即喜光植物、偏喜光的耐荫植物和偏阴生的耐荫植物它们所能承受的夜景照明光照强度上限大约分别为3000 lx、2000 lx和1000 lx，与国内很多研究数据基本相符［11］。

对于阴生植物，研究表明它们在接受不到全光照的1%的光照强度 (300lx左右)时即可达到最大程度光合作用［12］(全光照强度大约为 30000 lx［13］)，也就是说对于阴生植物，它们所能承受的夜景照明光照强度上限为300lx左右，这个数值亦与国内很多刊物所发表的数据相符。

3.2 植物生态环保照明的光质选择

如前所述，除用黄绿光波段照明对植物的影响较小外，其余的红橙光波段和青蓝紫光波段均会在夜晚对植物产生不同程度的影响。但对于城市绿化中常用的大部分喜光植物来说，由于其能承受的夜景照明强度上限较高，在夜晚适当采用一些红橙波段的光源来照射也并无不可，但一定要注意控制好照射时间不能超过其夜景照明允许的光照时间上限;而对于耐荫植物来说，其能承受的夜景照明强度上限适中，因此在夜晚可以采用一些青蓝紫光等不刺激植物进行光合作用波段的光源 (如金属卤化物灯、汞灯等)来照射，注意也要控制好照射时间的问题;而对于最不适合在夜晚进行人工照明的阴生藤本、地被植被来说，最好杜绝上述波长范围内的光源，而采用黄绿波段为主的光源 (如绿色金属卤化物灯或LED灯)照射为宜。

另外，夜间过量的红外线照射容易引起叶面升温造成叶面气孔收缩紊乱，紫外线更能灼伤叶面组织细胞，所以建议选择景观照明光源的波长范围为450nm～650nm。更要注意在新栽种的植物或植物花期的时间段内，最好可以减少夜景照明强度，特别是波长在650nm以上的红光与远红光。

3.3 植物夜景照明光照时间上限

如前所述，光照时间长短主要影响植物的开花结果和休眠状况，在喜光植物和耐荫植物中亦会分出对日照时间要求比较长的长日照植物和对日照时间要求相对比较短的中短日照植物，而阴生植物多以短日照植物为主。然而对于植物在夜景照明的环境下所能承受的光照时间的上限到底多长，笔者试探性的提出了这样一种计算方法:由于植物中的长日照植物在开花期间对日照时间的要求为大于14h的光照，短日照植物为小于12h的光照，中日照植物为光照和黑暗等时长即12h的光照，那么，植物每日接受的有效的平均光照时长与这类植物正常开花所需求的日照时长的差值，即为此类植物在夜晚所能承受的人工照明时间的上限 (光照强度和光质均在理想状态下)。

其中，耐阴性不同的植物对于有效日照时长的界定会稍微有一点差别，其中喜光植物对有效日照时长的界定为每日光照强度大于1000lx以上的光照时长 (数据来源于美国植物学会Botanical Society of America(BSA)BBS资料)，而耐荫及阴生植物的有效光照即为每日的全光照，对日照强度并无特殊要求。由于全光照的光照强度很强，数值较大 (约为30000lx左右)，那么依此我们可以认为，喜光植物与耐荫及阴生植物对于有效光照时间的定义相对一致。在我国北方，植物接受的平均有效日照时长大约为8.04h［14］，那么对于北方的喜光植物如月季、迎春花、合欢等长日照植物在其花果期阶段可承受的夜景照明时间上限即为14h－8.04h=5.96h;而耐荫植物中的吊兰、君子兰等中短日照植物在其花果期阶段可以承受的夜景照明时间上限即为12h－8.04h=3.96h，依此类推。

3.4 基于生态环保的植物照明参考指标

通过上述从光照强度、光质、光照时间方面做出的基于生态环保的植物照明研究，笔者分别把城市绿化中常用到的喜光植物、耐荫植物、阴生植物在这三个方面做出如下总结，可作为今后夜景照明中植物照明的参考，详见表3。

4 结语

照明设计师要带着尊重自然的态度去完成一个好的照明设计，因此，照明设计师也应该是环境保护方面的积极践行者，不仅仅关注于植物照明，而是更多与生态有关的方方面面，这就要求更多，更深，更新的专业背景和与其他学科相结合的知识研究。本文把研究重点放在城市中常见绿化植物的夜景照明，与植物光生态学的知识有机相连，总结了一套基于生态环保这一理念的植物照明参考标准，希望能对我国生态照明这一领域起到有益的作用。