人工光照對植物開花影響的分析

張渝文

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶 400033）

0 引言

近年來，由于城市化發(fā)展的加速，城市夜景照明和其他人工光照也隨之加速發(fā)展，各大城市把夜景照明的發(fā)達程度作為一個城市發(fā)展的重要標志。雖然不少大城市已經(jīng)將城市夜景照明納入了城市的整體規(guī)劃，也制定了相應(yīng)的專項規(guī)劃，但筆者認為仍舊缺少生態(tài)照明角度的考慮，缺乏對植物和動物保護的專門知識，缺乏對生態(tài)照明的專項規(guī)定。另外，高速公路的建設(shè)也日新月異，汽車夜間余光對農(nóng)作物的生長影響巨大。也就是說，城市夜景照明產(chǎn)生的城市光污染等人工光照，包括過量的光輻射、可見光和不可見光對人體健康和動植物生存環(huán)境造成的負面影響分析不足。在人們越來越重視光污染對生態(tài)環(huán)境影響的同時，不少從事夜景照明的工作者還缺乏植物正常生長發(fā)育和開花機理的一些常識，有關(guān)這方面的學(xué)科交叉研究還缺乏報道。文章通過光對植物開花的作用機理分析，研究了城市光污染對植物開花可能存在的影響，并從保護城市植物生態(tài)系統(tǒng)的角度，提出正確使用人工光照的一些建議。

1 植物的光周期和開花

1.1 光周期(photoperiodism）

光照在植物生長發(fā)育中起著非常重要的作用，如植物的開花時間總是相對固定的，迎春花總是在早春開花，而臘梅要到冬季才開花，這與植物要求的光照時間有關(guān)，不同的植物要求不同的光照和黑夜的時間。植物的開花結(jié)果對白日(光照）和黑夜(黑暗）時間長短的反應(yīng)稱為光周期現(xiàn)象。眾所周知，各種植物的開花都要求一定的黑暗和光照時間，將植物放在不同長短的黑暗和光照中，就可測出它們所需要黑暗期(和光照期）的長短。根據(jù)這一光周期特性，植物可分為三大類。

1.1.1 長日照植物(long-day plants）

日照必須長于一定臨界值才能開花的植物，這個臨界值稱為臨界日長，即引起長日植物開花的最小日照時數(shù)。例如:冬小麥的臨界日長為12 h，日照長于12 h開花，短于12 h推遲開花或不開花。春季開花的植物多屬于長日植物，如小麥、蘿卜、蠶豆、天仙子、菠菜、燕麥等。

1.1.2 短日照植物(short-day plants）

日照長度短于一定的臨界值才能開花的植物，短日照的臨界日長即為引起短日照植物開花的最大日照長度。例如:蒼耳臨界長度為15.5 h，只有當日照長度短于15.5 h才能開花，換句話說，日照越短，開花越早。相反，則延遲開花，或不開花。秋季(或晚夏和早春）開花的植物多屬于短日植物，如大豆、玉米、高粱、菊花、煙草、草莓等。

1.1.3 日中性植物(day-neutral plants）

開花對日照長短要求不嚴格，在自然條件下就能開花的植物。如番茄、黃瓜、辣椒、茄子、鳳仙花、杜鵑花、蒲公英、石竹等。

人們通過實驗發(fā)現(xiàn)，無論是長日照植物還是短日照植物，只要打斷黑暗期，即在夜間用很短時間的日照，開花都會受到影響，說明植物光周期的反應(yīng)不是對光照期的長短反應(yīng)，而是對黑暗期的長短發(fā)生反應(yīng)。

1.2 光敏色素(phytochrome）

在植物葉片內(nèi)，存在一種對光照靈敏度高的物質(zhì)或光檢分子，它是一種蛋白質(zhì)與色素結(jié)合的物質(zhì)，稱為光敏色素。該物質(zhì)對光敏感，能吸收一定波長的光。

人們在研究用不同波長的單色光照射短日照植物時，發(fā)現(xiàn)660 nm的紅光能最有效地抑制植物開花，而對長日照植物則能誘導(dǎo)開花;730 nm的不可見光紅外光，作用剛好相反，能最有效地抑制長日照植物開花，而對短日照植物則能誘導(dǎo)開花。這兩種光波能夠相互消除影響，如在黑暗中，每夜用紅光照射短日照植物一次，該植物不能開花。但在紅光照射之后，再用紅外光照一次，短日照植物就又能開花了。無論交替多少次，決定開花與否在于最后一次光照，對短日照植物而言，最后一次紅外光開花，紅光不開花;對長日照植物而言剛好相反，最后一次紅光開花，紅外光不開花。

上述實驗證明光敏色素中的光檢分子是以兩種形式存在的，一種是吸收紅光的，以Pr表示(r代表紅光），另一種是吸收紅外光的，以Pfr表示(fr代表紅外光）。光敏色素能吸收一定波長的光(圖1），Pr和Pfr代表光敏色素的兩種形式，Pr的吸收高峰位于660 nm的紅光區(qū)，Pfr的吸收高峰位于730 nm的紅外光區(qū)。

圖1 Pr和Pfr的吸收光譜

Pr和Pfr是可以相互轉(zhuǎn)變的，Pr吸收紅光后，色素分子發(fā)生變化而迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr，Pfr吸收紅外光后又轉(zhuǎn)變?yōu)镻r，Pr是比較穩(wěn)定的形式，Pfr是不穩(wěn)定的，在黑暗中幾小時后就可能轉(zhuǎn)變?yōu)镻r，也有可能被酶破壞(圖2）。所以，光敏色素兩種形式的相互轉(zhuǎn)化正是植物感知白日和黑夜的機制。在日光和普通電燈光中有紅光和紅外光，當兩種光波同時存在時，紅光的效應(yīng)壓倒紅外光的效應(yīng)。

圖2 兩種色素在白天和黑夜中的轉(zhuǎn)變

光敏色素的功能是多方面的，其專一性在于感光性，但還參與植物體內(nèi)許多過程的控制，如種子萌發(fā)，莖、葉的生長，葉片氣孔的分化，休眠等。光敏色素還與多種生物合成有關(guān)。

2 夜間人工光照對植物開花影響分析

2.1 對植物正常光周期的影響

正是由于光敏色素對不同波長的光有不同的生理作用，使植物開花產(chǎn)生了不同的適應(yīng)類型，即長日照和短日照植物，人們也可以利用這些原理，使一些植物在一年四季的每一個季節(jié)都可以開花，以滿足人們在生活中的需求。但如果我們在夜景照明設(shè)計中，不懂得這些原理，濫用不同特性的光源，就可能使一些植物不開花或延遲開花，對植物造成傷害。同時，也必須了解不同光源的光譜特性，使設(shè)計更加生態(tài)化、合理化。

2.2 對農(nóng)作物正常生長發(fā)育的影響

夜間光照破壞了植物生物時鐘的節(jié)律，特別是若夜里長時間以高輻射能量照射植物，就會使植物的葉或莖變色，甚至枯死。其次對植物花芽形成和植物休眠、冬芽形成也有影響。近年來，由于政府重視交通建設(shè)，高速公路和地方公路遍布農(nóng)村地區(qū)，部分道路還裝設(shè)了路燈，徹夜照明。臺灣科學(xué)家通過實驗發(fā)現(xiàn):種植在道路兩旁的稻田，了水稻植株發(fā)育較慢，抽穗開花延遲，或成熟期延緩、不一致，甚至有不抽穗，不開花的現(xiàn)象，并且越靠近道路兩旁的路燈處，有越嚴重的趨勢。很明顯，稻田受了長期光照的影響。而且，無論是高速公路或快速道路旁所配制的黃色鹵素?zé)簦€是一般道路及農(nóng)路旁的白色水銀燈，其光照都會使植物產(chǎn)生相同的現(xiàn)象。

根據(jù)學(xué)者的研究報告指出，即使如光強度在4～10 lx的微光下，(如清晨的曉光，黃昏的暮光）作物對光仍舊有反應(yīng)，而利用燈罩可防止直射的燈光，并不能抑制漫射或由路面反射于水稻田的余光，只是影響的程度會較小而已。因此，在環(huán)境因素?zé)o法解決這個問題的情況下，必須選擇對光照反應(yīng)較不明顯的水稻品種。

光是影響作物生長的重要因子，除了利用光線來進行光合作用，制造碳水化合物以供水稻生長發(fā)育所需外，光周期的長短、光強度、光質(zhì)都會影響作物的生長與分化，其中光周期可以影響植物的開花習(xí)性。中、晚熟型的水稻是屬于短日照型植物，在水稻的營養(yǎng)生長期間(稻種發(fā)芽至抽穗形成期），其生長環(huán)境的日照長度必須短于臨界日長才會促進抽穗及花芽的形成。除此之外，植物白天利用光能生產(chǎn)簡單光合產(chǎn)物，亦須利用夜晚進行暗反應(yīng)將白天的光合產(chǎn)物合成生長發(fā)育所需的材料。由此可知，路旁的稻田因長期照光，使稻株生育變慢，開花抽穗發(fā)生異常，就是受了這種幾乎天天24 h長光周期的影響。

3 減少人工光照對植物開花及農(nóng)作物影響的對策

3.1 在設(shè)計規(guī)劃中注重生態(tài)設(shè)計原則

凡事從源頭做起，在設(shè)計規(guī)劃時，必須首先清楚某一特定植物所需要光的光譜范圍和強度，了解植物對光照時間的生態(tài)型，對不同光周期要求的植物進行鑒別，針對植物敏感的光譜區(qū)域，選用合適的燈具。

3.2 正確使用不同光譜能量分布的光源原則

不同的光源，其光譜能量分布的峰值不同，對植物的影響大小就相應(yīng)不同，對能量集中在如紅光、紅外光和藍光等植物最敏感區(qū)域的光源，如白熾燈和高壓鈉燈等建議慎用。

3.3 正確選用不同燈具的原則

特別在道路照明設(shè)計中，不同的燈具使用，其對植物的影響大小不同。盡量采用截光型燈具，尤其對于道路照明、庭院照明，郊區(qū)和農(nóng)村的公路上的燈具裝置，由于沿途大都經(jīng)過莊稼地，夜間燈光通宵照明可能會影響附近農(nóng)作物的開花結(jié)果及其保護莊稼的益蟲等，因此，將固定的照明設(shè)施進行適當?shù)恼谏w，將有溢散光的圓形燈具換成無溢散光的平底燈，使光投射到需要被照射的地方，并盡量遠離可能受到燈具出射光線影響的動植物。另外可適當降低光源和燈具的表面亮度，或降低燈具的額定功率，或在燈具上使用漫射玻璃、格柵、遮光板等以改變燈光出射的方向。

3.4 增強智能化控制原則

控制燈具的啟閉時間，通過調(diào)光器或智能化控制系統(tǒng)，在使用頻率低的時段關(guān)閉部分或全部燈具。避免夜間燈光長時間甚至通夜照明對植物的影響，同時也可以節(jié)省大量的能源。

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