園林照明對窄葉石楠光合指標的影響

段 然， 楊春宇, 蘇加福

(1. 重慶工商大學 藝術學院， 重慶 400067； 2. 重慶大學 建筑城規(guī)學院， 重慶 400030；3. 重慶工商大學 國家智能制造服務國際科技合作基地， 重慶 400067)

中國廣泛開展園林夜景照明，由于缺乏園林植物照明技術標準，濫用光源照射植物的現(xiàn)象較為普遍.園林植物照明是以人眼視看為基礎的照明，不同于植物照明的研究.園林植物照明不能單純的從光合有效輻射、光量子方面進行研究，應該結合人眼視看的光照強度進行研究.光照與植物光合作用有著密切的關系[1]，人工光源與天然光不同，光源光照強度、光譜能量分布及光照時間都會影響植物的光合指標[2].園林植物照明的研究中，由于光照周期對植物光合指標的影響不大[3]，所以園林植物照明中光源光譜能量分布及光照強度對植物光合指標影響的研究尤為重要.

1 光照與植物光合作用的理論

光譜參與植物的生理生化過程[4-6]，更是激發(fā)植物生長的訊號[7].對植物生長最有效的光譜能量分布在400～700 nm之間[8].植物的光合速率[9]、形態(tài)建成等[10]受紅光的干擾較大；植物葉片狀態(tài)、碳水化合物合成等[11]受藍光的干擾較大.高光照強度會影響植物的光合速率，植物產生光抑制現(xiàn)象，嚴重干擾植物的生長[12]；低光照強度時，植物為降低自身對光能的需求，呼吸速率和光補償點也會隨之降低[13].

植物用來進行光合作用的輻射光能叫做光合有效輻射(PAR)，是影響植物光合作用的重要物理參量.光合有效輻射量子表達式為

其中：Qpar為光合有效輻射量子能量，能夠反映出植物在進行光合作用時量子參與的特性[14]；h為普朗克常數，6.625 5×10-34J·s；c為真空光速，2.997 8×108m·s-1；Av為Avogadro常數，取值6.02×1023mol-1；λ為光譜能量波長，nm;λ0為400 nm，λ1為700 nm.根據公式，在相同光譜下，可進行人眼視看光照強度與光量子間的轉化.

植物葉片的凈光合速率(PN)記為vpn，為單位面積葉片在單位時間內有機物的積累.在園林照明中植物凈光合速率(PN)是鑒定植物光合作用的重要檢測指標[15].PN大于零，表示植物進行有機物積累；夜間植物休息，PN小于零，表示植物不進行有機物的積累.植物夜間受人工光照凈光和速率提高，進行有機物的積累，嚴重干擾了植物的生長.

本實驗選取5種園林植物照明常用發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)光源光譜且每種光譜設置3個等級的光照強度進行光照實驗；利用照度計、Li-6400便攜式光合儀同時測量園林植物在天然光下及夜間LED光源照射下的PN及PAR；得出LED照明與園林植物窄葉石楠光合作用的關系.

2 研究方法

2.1 實驗地點

實驗地點位于重慶市西部，年平均溫度18.4℃，年降雨量1 125.3 mm，年平均日照時數888.5～1 539 h(重慶市氣候中心2017年報告).為了控制環(huán)境因素對研究對象的干擾，實驗開展于重慶大學實驗田，并檢測控制實驗田物理環(huán)境因素，確保人工光照為影響實驗的單一變量.

2.2 實驗處理

窄葉石楠(Photiniaserrulata)，薔薇科、石楠屬木本植物，具有四季常青等特點，是園林植物照明中常用的園林植物載體.實驗選擇苗齡、長勢均相同的同批次窄葉石楠進行實驗.

5種LED光源光譜分別為白光LED，黃光LED，紫光LED(主波長425nm)，綠光LED(主波長530 nm)，紅光LED(主波長620 nm).每種光譜設置的光照強度為1 000、1 500、2 000 Lx，并設1組參照組僅受天然光照射不進行人工光照射，即，共16組實驗，每組照射3株植物，所有植物均生長于標準的花園土壤.按市政園林植物照明時間對植物進行照明，時間為6:30 pm～10:00 pm.照明時利用遮光板遮擋于植物之間，使植物僅受實驗光源照射，避免光源相互干擾(圖1)，日間拆除擋板.

a 實驗平面布置

b 光照植物實驗現(xiàn)場

圖1實驗田園林植物光照處理

Fig.1Lightingtreatmentofgardenplantsintheexperimentalfield

2.3 實驗測定

為確保實驗測量的準確性，實驗選擇晴朗天氣.日間測量，利用照度計監(jiān)測天空照度并同時利用Li-6400便攜式光合儀測量窄葉石楠的PN與PAR.夜間測量時，待照明光源開啟穩(wěn)定半小時后，利用Li-6400便攜式光合儀對植物葉片進行測量，設置確定大氣壓力，選取植物冠層新發(fā)第3片健康植物葉片測量，每株窄葉石楠測量3片葉片，每片葉子測量5次，并標記葉片位置.

3 結果與討論

3.1 天然光光譜與LED光源光譜能量分布

利用分光輻射照度計CL-500A(波長范圍360～780 nm)對實驗LED光源光譜能量進行測量(圖2).通過對比，得出隨著光照強度增大，LED光源光譜能量峰值不斷升高，甚至高于相同光照強度下相同波段天然光光譜能量；白光LED與黃光LED，波峰在460 nm附近，藍光成分富含較多，且同時富含較高強度的紅光(510～710 nm)成分.紅光LED、綠光LED、紫光LED光譜能量分布范圍較窄，與天然光光譜差距極大，波峰分別在620、530及425 nm處達到最高值.

a 日光

b 白光LED

c 黃光LED

d 紅光LED

e 綠光LED

f 紫光LED

3.2 天然光光譜下窄葉石楠光合指標

利用照度計測量天空照度，同時利用Li-6400便攜式光合儀測量天然光光譜下窄葉石楠PN和PAR.導出實驗數據，在光照強度為1 000，1 500及2 000Lx時，窄葉石楠的PN分別為0.32、1.07 l，4.67 μmol·m-2·s-1；窄葉石楠的PAR為3、13、24 μmol·m-2·s-1.對數據進行統(tǒng)計，當光照強度高于900 Lx時，窄葉石楠PN由負轉正；在2 000 Lx內窄葉石楠PN隨光照強度的增強而增加(圖3).

3.3 人工光源光譜下植物光合指標

分別測量1 000、1 500及2 000Lx光照強度，5種人工光源光譜照射的植物PN與PAR(表1～表3)，得出相同光照強度不同光譜能量分布與窄葉石楠光合指標PN、PAR的關系.

圖3 植物凈光合速率與天然光強度關系Fig.3 Relationship between net photosynthetic rate and light intensity

天然光白光黃光紅光綠光紫光PAR/(W·m-2)333323PN/(μmol·m-2·s-1)0.320.150.26-0.83-1.39-0.98

表2 1 500Lx光強光譜下植物PAR與PNTab.2 Plant PAR and PN under 1 500Lx light intensity spectrum

表3 2 000Lx光強光譜下植物PAR與PNTab.3 Plant PAR and PN under 2 000Lx light intensity spectrum

對PN進行分析，光照強度為1 000Lx時，紅光、綠光、紫光照射植物PN為負；白光、黃光照射植物PN為正，但均低于天然光照射下的 0.32.此時，白光、黃光照射的植物進行能量的積累，對植物生長造成一定的干擾.

光照強度為1 500Lx時，白光、黃光、紅光、紫光照射植物的PN值均為正，僅綠光照射植物的PN仍為負；白光、紅光照射植物PN甚至高于天然光照射的PN值1.07，對植物的干擾程度較大.

光照強度為2 000Lx時，植物的PN仍不斷提高，白光、黃光、紅光、紫光照射下植物的PN均為正，且紫光照射PN為5.4，高于天然光下4.67；此時，僅綠光LED照射的植物PN仍為負.

隨著光照強度的升高，LED光源下窄葉石楠的PN不斷提高，植物進行能量積累，對植物的生長造成一定的干擾，僅綠光LED照射下PN始終為負.

通過對PAR的分析，光照強度在1 000Lx時，白光、黃光、紅光、紫光供給植物的PAR與天然光光譜相同，均為3，可知植物對綠光光譜利用率低于天然光；光照強度為1 500Lx時，植物對人工光源PAR提高不明顯，且全部低于天然光下的PAR； 2 000Lx光照強度時，人工光源照射下植物的PAR仍然低于日光照射下的PAR.隨著光照強度升高，窄葉石楠PAR也逐漸升高，但始終低于日光下PAR，天然光可提供植物的PAR較高.

3.4 其他

不科學的園林植物照明干擾園林植物生長.本研究證實LED光源對窄葉石楠光合指標影響作用明顯[16-17]，與其他相關研究的結果相符[18-19]，且補充了紫光、綠光對植物光合指標的研究結果[20-21].實驗表明，在園林植物照明中LED光源影響植物夜間PN，且進一步證明了LED光源照射下窄葉石楠的PN隨光照強度升高而升高；在相同光照強度不同光譜下植物PN變化規(guī)律不同.LED光源照射下植物的PAR始終低于其在天然光下的PAR.但實驗僅對一種園林植物進行了光源照射實驗，僅可作為窄葉石楠的照明技術參數.

4 結論

實驗利用常見園林照明光源照射園林植物窄葉石楠，并利用生物學手段測量被照射植物的光合指標PN和PAR.，分析得到結論：

(1) LED光源照射下植物的PN隨光照強度升高而升高.當光照強度逐漸升高后，白光、黃光、 紅光、紫光照射的植物PN會出現(xiàn)高于天然光照射的情況，證明園林植物照明對植物的生長造成一定的影響；

(2) LED光源照射的植物PAR始終低于天然光，證明植物對天然光光譜的利用率最高；

(3)綠光下植物的PN也隨光照強度升高而升高，但始終為負，PAR始終低于天然光下.綠光不易被植物所吸收，對植物生長的干擾較小.