植物照明的生態(tài)環(huán)保研究

李 農 王鈞銳

(北京工業(yè)大學城市照明規(guī)劃設計研究所，北京 100124)

1 引言

大規(guī)模的城市夜景照明建設使整個城市綻放流光溢彩的同時，所產生的光污染對人類及全球生態(tài)環(huán)境的危害也日益嚴重，其中對植物的危害已成為生態(tài)保護中的熱點議題之一。經(jīng)過千萬年的演化，每種植物所能承受的環(huán)境參數(shù)閾值是由自然光唯一確定的，而夜間人工照明的出現(xiàn)恰恰改變了這種原生態(tài)光環(huán)境。然而人工光源與太陽一樣都是通過光照強度、光質、光照時間等方面來影響植物的，本文通過對國內外近年來植物照明的相關文獻的研究分析，以光對植物的作用機理為理論基礎，系統(tǒng)的闡述了光污染對城市綠化常見植物造成的影響和危害，并針對不同耐蔭性的植物分別提出了更加滿足生態(tài)環(huán)保要求的照明參考指標。

2 光對植物的作用及影響

2.1 光照強度對植物的作用及影響

光是綠色植物的生存條件之一，也正是綠色植物通過光合作用將光能轉化為化學能，為地球上的生物提供了生命活動的能源。光照的強弱在植物的生長發(fā)育中起著非常重要的作用，植物通過千百年的選擇與進化，已逐漸形成一套對光強的喜好選擇。植物根據(jù)其耐蔭性的不同 (也就是植物對光強度的適應能力)，大致分為喜光植物、耐蔭植物、陰生植物三種［1］。

光照強度對植物的影響，主要體現(xiàn)在植物的光合作用上。植物對光照強度的要求有一個上限，即光飽和點。當光照強度達到植物的光飽和點時，植物的光合作用達到頂峰，而當光照強度繼續(xù)增強超過植物的光飽和點后，植物的光合作用不但不會提高，反而會下降，植物自身便會產生光抑制現(xiàn)象，光照強度越高，植物受到的傷害就越大。因此，城市中的綠化植物受夜景照明光強度影響較大的是偏陰性的耐蔭植物和陰生植物。此類植物的光飽和點比偏喜光的耐蔭植物和喜光植物低，例如竹芋屬植物在光照較強時，葉子會折疊或關閉，如果更強時，葉片就會被灼傷;還有一些耐蔭性強、具有艷麗色彩的植物，如彩虹鐵樹、紅邊鐵樹等，當光照過強時，其枝干的顏色變淺、變淡，葉片干燥，嚴重影響其生長［2］。

這些傷害一般是由于兩種原因造成的:一是光強太強時植物的內部蒸騰作用過快會導致代謝失衡，植物內外都會受到灼傷，進而導致樹葉枯黃缺水以至枯竭死亡;二是由于產生了光抑制現(xiàn)象而停止生長。這種光抑制現(xiàn)象的作用原理近年來才被美國的科學家所揭露:植物都有一套天然的自我保護機制，植物通過葉綠素和胡蘿b素吸收陽光中的能量，如果光照過強，這些分子吸收的能量過多，就會產生有害物質活性氧自由基［3］。這兩種現(xiàn)象 (蒸騰過快和光抑制)都是由于光照強度不適對植物產生的影響和傷害。

2.2 光質對植物的作用及影響

光是太陽輻射能以電磁波的形式投射到地球的輻射線，其能量的99%集中在波長為150～4000nm的范圍內。人眼能看到的波長范圍為380～780nm，即稱為可見光部分。對植物生長起著重要作用的波長范圍主要是可見光部分。

在光輻射中，植物對于光譜中波長范圍約在400～700nm之間的區(qū)域非常敏感，該波長范圍內的光被稱為促進光合作用的輻射［4］。這個波長范圍與可見光的波長范圍基本吻合。不同波長的光對植物起著不同的作用，比如紅光的波長較長，主要提供植物光合作用的動力，有利于植物的光合作用和葉綠素的形成，并有利于莖的生長，促進植物的開花;波長較短的青藍紫光可以為光合作用中的化學反應提供能量和催化，同時可抑制植物的伸長，促進細胞分化;黃綠光色介于這兩者之間，很難得到利用，植物吸收的黃綠光多被反射，因此葉片呈綠色。

光質是影響植物正常生長發(fā)育的重要因素。從光源角度來看，夜間人工照明的不同光源發(fā)出不同波長的光質對植物產生的生理作用不同;從植物的角度來說，植物的光形態(tài)建成和光合作用都依賴于某些特定的波長。也就是說，光質除了作為一種能源來控制光合作用，還作為一種觸發(fā)信號影響植物的生長。不適宜的波長呈現(xiàn)出的燈光顏色會使植物的生命活動發(fā)生紊亂致使其患病甚至死亡。

目前城市照明和植物景觀照明常用的光源有熒光燈、汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈和LED光源。光源中的高壓鈉燈所產生的紅色可見光和不可見的紅外線較多，其中紅外線照射可能會使植物受到不良誘導而改變其生理生態(tài)特性，如改變植物的生長周期，影響植物幼芽的萌發(fā)等;而紅橙波段是植物最易吸收的波段，過多的紅光照射，則會使植株一直處于光合作用的狀態(tài)，長久下來會使植物花芽過早的形成，同時使植株過分延長生長而導致營養(yǎng)缺乏。高強度的熒光燈、汞燈和金屬鹵化物燈因其發(fā)出的波長，主要覆蓋電磁光波中可見光譜的較短波長范圍，所以對植物的影響相對較小。但青藍紫等短波光長時間作用在植物身上會抑制植物的伸長而導致矮化，高山植物莖干粗短、葉面縮小、毛絨發(fā)達，也是由短波光較多所致。因此在夜晚多用藍紫光照射的植物長期會出現(xiàn)植株矮小、發(fā)育不良等癥狀。在植物景觀的照射時，經(jīng)常會見到綠色的投光燈打亮植物的表現(xiàn)手法。黃綠光處于長短波中間，是最不易于植物吸收的一種輻射，植物吸收的黃綠光大多被植物葉片反射，因此植物的葉片才呈現(xiàn)綠色［5］。表1為幾種光源發(fā)出的光譜對植物影響大小的比較。

表1 不同光源發(fā)出的光譜對植物影響大小的比較Table 1 Comparison of the effect on plants of the spectrum emitted by different light sources

2.3 光照時間對植物的作用及影響

植物千百年來已經(jīng)形成了固定的光周期規(guī)律，光照和黑夜交替長短的變化，對植物開花、結實、落葉和休眠有很大影響。植物和人類一樣有固定的時鐘和日歷，它們對于時間的響應基于光的數(shù)量和質量。植物在一天中的功能持續(xù)24小時，包括12～16小時的陽光和8～12小時的夜晚。光觸發(fā)植物功能的開始和結束。植物在24小時中經(jīng)歷的夜晚是影響植物生長和開花的關鍵。對于植物來說夜晚是必需的。

植物根據(jù)晝夜周期誘導植物開花的時長分為長日照植物、短日照植物、中日照植物和中間性植物，每種植物開花期間所需的光照時長如表2所示。

表2 不同類型植物開花前所需光照時間表Table 2 Illumination time required for different types of plants before flowering

現(xiàn)如今，越來越多的城市照明延長了白天的時間，甚至很多城市被冠以“不夜城”的稱號。殊不知當植物無法得到夜晚的黑暗就如同人的生物鐘被打亂，會自身出現(xiàn)生理壓力，容易被許多病毒感染，可能變的很虛弱，直到最后死亡［6］。

植物對白日 (光照)和黑夜 (黑暗)時間長短的反應非常靈敏，許多植物是通過黑夜的長短來控制開花和落葉，長時間、大量的夜間人工光照射，會導致一些植物花芽的過早形成，或是抑制另一些植物的開花。例如每天接受光源照射的時間超過確定的臨界值，菊花便不會開花，風鈴草則只會開花不會結果［7］。到了夏季轉秋的季節(jié)，黑夜變長，溫度下降，落葉樹種若受人工光的影響，打破其本身的光周期規(guī)律而不能進行休眠，導致樹體組織發(fā)育不充實，會使剛萌發(fā)，抽生的幼嫩的晚秋梢在第一次寒流來的時候更易遭受低溫襲擊而出現(xiàn)傷害［8］。

植物在白天利用陽光進行光合作用，但是在夜間也需要休息。光周期的變化在調節(jié)植物種子萌發(fā)、幼苗生長、莖的伸長、子葉伸展，開花控制、休眠等都起著關鍵性的作用。植物葉片通過測量黑夜的長短，能夠預測季節(jié)的變化，這也是觸發(fā)植物進行落葉和冬眠的信號，樹木在夜間受長時間的強光照射，使休眠受到干擾，引起落葉形態(tài)的失常和冬芽的形成，如在人工照射下，樹木或灌木在秋天仍然會繼續(xù)生長，在進入霜凍時節(jié)，樹葉里還會含有葉綠素，會使其落葉期延遲［9］。

3 生態(tài)環(huán)保的植物照明

基于上文從光照強度、光質、光照時間三方面講述了光對植物的作用機理，及由于光照不適對植物造成影響和危害的了解，筆者認為可以研究總結出一套基于生態(tài)環(huán)保理念的植物照明參考指標，不僅可以為植物景觀照明設計提供技術參數(shù)，同時也可為今后的進一步深入研究打下基礎。

在本研究中，我們選擇利用植物耐蔭性強弱這一分類方法，依照植物耐蔭能力的由弱到強，將城市綠化中常見的植物按喜光、耐蔭、陰生三大類從光強、光質、光照時間三方面分別做出符合生態(tài)環(huán)保的夜景照明研究總結。

3.1 植物夜景照明光照強度上限

如前所述，當光照強度達到某一特定值時，植物將達到最大程度光合作用，形成光飽和，若光照強度持續(xù)增強，植物將會受到灼傷或形成光抑制現(xiàn)象，從而受到傷害。那么，當植物達到最大程度光合作用 (即光飽和)那一刻的光照強度值，即為我們所要研究的在城市夜景照明下植物所能承受的光照強度上限值。

國內外很多的專家學者針對夜晚不同植物所能承受的最大光照強度做了一系列的人工照明實驗。其中兩位來自美國的學者 Jennifer Boldt和 John Erwin在美國的花卉和苗圃研究所 (Floriculture and Nursery Research Initiative)以及美國花卉種植者基金會 (The American floral endowment)的資助下，在美國明尼蘇達州大學開展了一項探索光照強度對植物光合作用影響的人工照明實驗，實驗數(shù)據(jù)表明了這些選取的植物達到最大程度光合作用時的光照強度值，即在夜間照明下植物所能承受的光照強度上限值。實驗根據(jù)植物耐蔭性由弱到強選取了兩種喜光植物 (一品紅和仙客來)、兩種偏喜光的耐蔭植物 (鳳仙花和天竺葵)及一種偏陰性的耐蔭植物(麗格海棠)，測定出它們達到最大程度光合作用時的光照強度分別為275fc(英尺燭光)、200fc(英尺燭光)和100fc(英尺燭光)［10］，換算成國際通用的照度即為2959lx、2152lx和1076lx(1fc=10.76lx)。即喜光植物、偏喜光的耐蔭植物和偏陰生的耐蔭植物它們所能承受的夜景照明光照強度上限大約分別為3000 lx、2000 lx和1000 lx，與國內很多研究數(shù)據(jù)基本相符［11］。

對于陰生植物，研究表明它們在接受不到全光照的1%的光照強度 (300lx左右)時即可達到最大程度光合作用［12］(全光照強度大約為 30000 lx［13］)，也就是說對于陰生植物，它們所能承受的夜景照明光照強度上限為300lx左右，這個數(shù)值亦與國內很多刊物所發(fā)表的數(shù)據(jù)相符。

3.2 植物生態(tài)環(huán)保照明的光質選擇

如前所述，除用黃綠光波段照明對植物的影響較小外，其余的紅橙光波段和青藍紫光波段均會在夜晚對植物產生不同程度的影響。但對于城市綠化中常用的大部分喜光植物來說，由于其能承受的夜景照明強度上限較高，在夜晚適當采用一些紅橙波段的光源來照射也并無不可，但一定要注意控制好照射時間不能超過其夜景照明允許的光照時間上限;而對于耐蔭植物來說，其能承受的夜景照明強度上限適中，因此在夜晚可以采用一些青藍紫光等不刺激植物進行光合作用波段的光源 (如金屬鹵化物燈、汞燈等)來照射，注意也要控制好照射時間的問題;而對于最不適合在夜晚進行人工照明的陰生藤本、地被植被來說，最好杜絕上述波長范圍內的光源，而采用黃綠波段為主的光源 (如綠色金屬鹵化物燈或LED燈)照射為宜。

另外，夜間過量的紅外線照射容易引起葉面升溫造成葉面氣孔收縮紊亂，紫外線更能灼傷葉面組織細胞，所以建議選擇景觀照明光源的波長范圍為450nm～650nm。更要注意在新栽種的植物或植物花期的時間段內，最好可以減少夜景照明強度，特別是波長在650nm以上的紅光與遠紅光。

3.3 植物夜景照明光照時間上限

如前所述，光照時間長短主要影響植物的開花結果和休眠狀況，在喜光植物和耐蔭植物中亦會分出對日照時間要求比較長的長日照植物和對日照時間要求相對比較短的中短日照植物，而陰生植物多以短日照植物為主。然而對于植物在夜景照明的環(huán)境下所能承受的光照時間的上限到底多長，筆者試探性的提出了這樣一種計算方法:由于植物中的長日照植物在開花期間對日照時間的要求為大于14h的光照，短日照植物為小于12h的光照，中日照植物為光照和黑暗等時長即12h的光照，那么，植物每日接受的有效的平均光照時長與這類植物正常開花所需求的日照時長的差值，即為此類植物在夜晚所能承受的人工照明時間的上限 (光照強度和光質均在理想狀態(tài)下)。

其中，耐陰性不同的植物對于有效日照時長的界定會稍微有一點差別，其中喜光植物對有效日照時長的界定為每日光照強度大于1000lx以上的光照時長 (數(shù)據(jù)來源于美國植物學會Botanical Society of America(BSA)BBS資料)，而耐蔭及陰生植物的有效光照即為每日的全光照，對日照強度并無特殊要求。由于全光照的光照強度很強，數(shù)值較大 (約為30000lx左右)，那么依此我們可以認為，喜光植物與耐蔭及陰生植物對于有效光照時間的定義相對一致。在我國北方，植物接受的平均有效日照時長大約為8.04h［14］，那么對于北方的喜光植物如月季、迎春花、合歡等長日照植物在其花果期階段可承受的夜景照明時間上限即為14h－8.04h=5.96h;而耐蔭植物中的吊蘭、君子蘭等中短日照植物在其花果期階段可以承受的夜景照明時間上限即為12h－8.04h=3.96h，依此類推。

3.4 基于生態(tài)環(huán)保的植物照明參考指標

通過上述從光照強度、光質、光照時間方面做出的基于生態(tài)環(huán)保的植物照明研究，筆者分別把城市綠化中常用到的喜光植物、耐蔭植物、陰生植物在這三個方面做出如下總結，可作為今后夜景照明中植物照明的參考，詳見表3。

4 結語

照明設計師要帶著尊重自然的態(tài)度去完成一個好的照明設計，因此，照明設計師也應該是環(huán)境保護方面的積極踐行者，不僅僅關注于植物照明，而是更多與生態(tài)有關的方方面面，這就要求更多，更深，更新的專業(yè)背景和與其他學科相結合的知識研究。本文把研究重點放在城市中常見綠化植物的夜景照明，與植物光生態(tài)學的知識有機相連，總結了一套基于生態(tài)環(huán)保這一理念的植物照明參考標準，希望能對我國生態(tài)照明這一領域起到有益的作用。

表3 城市綠化常見植物的夜景照明參考Table 3 Night scape lighting reference of the common urban greening plants

［1］姜漢僑，侯昌群，等.植物生態(tài)學［M］.第一版，北京:高等教育出版社，2004.

［2］胡陽，江莎，等.光強和光質對植物生長發(fā)育的影響［J］.內蒙古農業(yè)大學學報，2009，12(第30卷)第4期.

［3］張小冰.植物避免強光傷害的機制［J］.生物學教學，2004(第29卷)第4期.

［4］高鴻磊，諸定昌.植物生長與光照的關系［J］.燈與照明，2005(第29卷)第4期.

［5］張渝文，李鑫.城市夜景照明光污染對植物生長的影響［J］.燈與照明，2008(第32 卷)第1 期.

［6］鄭毅.關于燈光藝術中植物照明的思考［D］.碩士學位論文，湖北美術學院，2007.

［7］曹紅霞.淺談光照對植物生態(tài)作用的影響［J］.安徽農學通報，2010，16(3).

［8］鄧金科.頤和園夜景光生態(tài)研究［D］.碩士學位論文，天津大學，2006.

［9］孫福君，閆永慶.園林照明設計原則及對植物傷害的預防［J］.園林，2009(6).

［10］Jennifer Boldt，John Erwin，李平譯.光照強度對植物光合作用的影響［J］.中國花卉園藝，2011(12).

［11］馬劍.頤和園夜景照明生態(tài)環(huán)境保護研究［D］.博士學位論文，天津大學，2008.

［12］陳有民.園林樹木學［M］.北京:中國林業(yè)出版社，1990.

［13］湯輝，朱凱.試論園林植物景觀的照明設計［J］.中南林業(yè)調查規(guī)劃，2005(第24卷)第1期.

［14］李德全等.植物生理學［M］.北京:中國農業(yè)科技出版社，1999.