城市道路夜間照明與行道樹相互影響探析

王旭東

許 晶

徐 慧

沙 霖

王雪瑞

道路照明系統(tǒng)及道路綠化系統(tǒng)是城市道路環(huán)境中2個重要的組成部分，兩者之間既有密切聯(lián)系，又相互獨立。城市道路照明在保障道路行車安全、提升城市夜景品質(zhì)以及改善人居環(huán)境等方面起到關(guān)鍵作用。城市道路綠化在提供遮陰、隔聲降噪以及降溫增濕等提升交通環(huán)境舒適度、組織交通功能以及視覺景觀效果等方面發(fā)揮著多元化的功效。行道樹的空間配置與分布會對夜晚道路照明產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而阻礙了城市交通安全。然而，城市道路中的照明設(shè)施布置不合理，將會對行道樹的生理特性及生態(tài)效益造成不利影響，有時甚至對樹木造成傷害[1，2-5]。 如何協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系，使之效益得到最大限度的發(fā)揮成為解決問題的關(guān)鍵所在。涉及道路照明系統(tǒng)與道路綠化系統(tǒng)兩者的相關(guān)研究主要體現(xiàn)在以下2個方面。第一，樹木對照明設(shè)施的影響，主要體現(xiàn)在對照明燈光的遮蔽。其中，具有代表性的研究有，盧茜[6]以行道樹國槐為研究對象，研究不同季節(jié)(春夏兩季)行道樹對道路LED照明效果的影響程度，并采用一系列指標(biāo)對照明效果進(jìn)行比較分析。第二，道路照明設(shè)施對樹木的影響，主要體現(xiàn)在人工照明對樹木生理特性的影響。具有代表性的研究有，范春楠[7]以杏樹為研究對象，探索了HPS路燈照射以及LED路燈照射分別對杏樹生長及光合的影響；陳芳與彭少麟[1]以6種灌木為研究對象，通過實驗?zāi)M，比較分析了在對照和夜晚光處理條件下的植物生長特性、生物量分配、葉片形態(tài)和葉綠體超微結(jié)構(gòu)等，提出了對光敏感性高的灌木應(yīng)該盡量避免種植在高強度光照的環(huán)境中。上述實驗結(jié)果為了解城市道路光照對行道樹生長的影響以及城市行道樹的管理提供了一個重要的參考，奠定了城市道路照明設(shè)計與綠化設(shè)計綜合性研究的基礎(chǔ)。

盡管已有部分學(xué)者分別對道路照明與行道樹2個方面進(jìn)行了研究與總結(jié)，但是，該領(lǐng)域的研究尚處于探索性階段，特別是針對兩者之間關(guān)系以及不同照明類型與不同行道樹類型之間比較等方面就顯得更為欠缺。因此，本文以鄭州市最主要的行道樹二球懸鈴木為研究對象，探索道路照明與行道樹兩者之間的相互關(guān)系及影響，開展該方面的研究不僅有利于摸清行道樹對道路照明環(huán)境的影響，為城市道路照明的優(yōu)化設(shè)計提出參考，同時也有利于強化道路照明對行道樹生理生態(tài)過程的認(rèn)知，為城市行道樹配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 調(diào)研區(qū)域及對象

二球懸鈴木，城市重要的綠化樹種之一，我國引種栽培已有100多年歷史，由于最早栽種在上海法租界而得名，在我國黃河以南和長江流域生長最好[8]。懸鈴木素有“行道樹之王”之稱，同時也是鄭州市的市樹。所調(diào)查的道路有2條，分別是觀測點中興南路(金水東路段)與華北水利水電大學(xué)主干路，路面材料均為瀝青路面，2條道路上的行道樹均為二球懸鈴木。中興南路的照明燈具類型為高壓鈉燈，華北水利水電大學(xué)主干路的照明燈具類型為LED燈，道路周邊基本上沒有其他環(huán)境光的干擾。調(diào)研時間為2018年6月底7月初，20：00—次日10：00(圖1)。具體調(diào)研區(qū)域及對象如表1所示。

1.2 研究與分析方法

第一，照度測量。照度用于指示物體表面被照明程度的強弱，是衡量道路照明效果的基本指標(biāo)。不同樹種的冠層結(jié)構(gòu)及枝葉分布直接影響路面局部的照度值。由于所研究對象人工照明光源均位于樹冠上部，為了更好地梳理人工照明在不同冠層部位的分布與強度以及對樹冠的影響范圍，將樹冠進(jìn)行平均等分，劃分為樹冠上部、中部與下部三部分，利用照度計分別對冠層上部、中部、下部以及落地照度(燈頭照射方面垂直落地區(qū)域)進(jìn)行垂直豎向測定，每個部位以垂直點為中心，半徑1m范圍內(nèi)，測定6～8次，為該部位的照度閾值范圍。第二，行道樹光合特性測定。受觀測儀器數(shù)量和調(diào)查人員的限制，中興路(HPS燈)和華北水利水電大學(xué)(LED燈/高壓鈉燈)的二球懸鈴木樣本光合參數(shù)測定未能實現(xiàn)同時段進(jìn)行，而是分別在20：00與22：00展開。具體取各觀測點路燈照射下行道樹二球懸鈴木各3株，每株樣本測定3次，測定部位分別為冠上、冠中、冠下部位，利用Li-6400xt型光合測定儀對夜晚路燈照射情況下行道樹的光合特性的變化。第三，行道樹葉綠素的測定。分別采集不同路段樣本樹冠上、中、下 部位的葉片各3片，同一冠層部位葉片制混合樣品，采回的樣品經(jīng)研磨和丙酮浸提后利用紫外分光光度計測得吸光度，計算葉綠素總含量。

圖1 道路照明及行道樹調(diào)研與實驗過程

所調(diào)查數(shù)據(jù)計算采用Excel 2010軟件；圖形繪制與統(tǒng)計分析分別在Origin 8.0和SPSS 19.0進(jìn)行。

2 調(diào)研結(jié)果與分析

2.1 行道樹對道路照明光線遮蔽的影響分析

行道樹的空間結(jié)構(gòu)與分布不合理會對夜晚道路照明產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而阻礙了城市交通安全。通過對以上2條路線的夜晚光環(huán)境進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果表明，中興南路(高壓鈉燈照射)無行道樹二球懸鈴木遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間為32～35lx，有行道樹二球懸鈴木遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間僅為1～2lx。華北水利水電大學(xué)(LED燈)無行道樹遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間為15～20lx，有行道樹遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間僅為0.2～1lx。行道路遮蔽區(qū)域的燈光照度遠(yuǎn)低于《城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 45—2015)》中規(guī)定次干道路面照度15～20lx的規(guī)范要求。中興南路(高壓鈉燈照射)行道樹的冠上(距燈頭約1m)、冠中、冠下以及落地平均照度范圍分別為5 000以上、500～1 000、30～300和1～2lx。華北水利水電大學(xué)(LED燈)行道樹的冠上、冠中、冠下以及落地平均照度分別為5 500以上、500～700、70～280和0.2～1lx。由此可見，二球懸鈴木樹冠對路燈進(jìn)行了大幅度的遮蔽，甚至是完全遮擋燈頭，嚴(yán)重阻擋和遮蔽了路燈光線的直射及折射，從而使得落地照度大打折扣，對道路夜晚行車環(huán)境造成了非常不利的影響。此外，行道樹對道路照明的影響區(qū)域還取決于樹木冠幅的大小。道路照明從樹冠上部投射到樹冠后，在道路路面上投下不規(guī)則的黑色樹冠投影邊界區(qū)域，測量中該區(qū)域的照度值均在5lx以下。調(diào)研過程中，選取以照度測點為中心的3個區(qū)域(以道路中線至人行道的橫向?qū)挾龋氐缆房v向延伸10m)，估算該范圍內(nèi)路面上黑色樹冠投影區(qū)域的面積占該區(qū)域的百分比。結(jié)果顯示，所調(diào)查道路燈下樹冠所形成的樹冠投影遮光區(qū)域平均在50%以上，對道路行車安全產(chǎn)生了潛在威脅。

2.2 道路照明對行道樹冠層結(jié)構(gòu)及光合生理特性的影響分析

2.2.1 道路照明對行道樹冠層結(jié)構(gòu)與形態(tài)的影響

冠層是植物群落進(jìn)行生理活動的重要場所，也是體現(xiàn)樹木生長活力與生態(tài)效益的重要媒介。然而，道路照明會對冠層結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)育及變化產(chǎn)生重要的影響，最直接的影響就是可能導(dǎo)致偏冠，這方面已有一些學(xué)者對此進(jìn)行了驗證，因為夜間照明可延長植物的光合時間，促進(jìn)園林樹木枝條的生長，主要由不同類型植物對光的敏感度決定[7]。然而，在道路調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)在高壓鈉燈直接接觸和照射的區(qū)域(0.5～1m)內(nèi)，樹冠出現(xiàn)了“空洞”(枝葉缺失)，原因是高壓鈉燈照明的同時，燈頭會產(chǎn)生局部高溫，進(jìn)而影響冠層內(nèi)部周邊的枝葉分布，導(dǎo)致樹木冠層內(nèi)部缺冠現(xiàn)象。

2.2.2 道路照明對行道樹光合特性的影響

調(diào)研結(jié)果表明，第一，由于夜間道路照明會啟動樹木冠層局部的光合作用，影響了植物的夜晚休眠；第二，LED光源照射條件下二球懸鈴木的光合速率指標(biāo)均高于鈉燈照射，除了受光源光譜的差異影響所致以外，也可能與燈頭在冠層中空間分布有關(guān)。不同燈光照度強度條件下的各冠層部位光合速率如表2所示。由此可見，二球懸鈴木對于高壓鈉燈沒有LED光源敏感，在不同的照射梯度下，均沒有啟動光合(以光合速率正值為依據(jù))，但由于燈頭高溫區(qū)域?qū)е轮θ~缺失，無法獲取離燈頭較近部位冠層部分的光合速率，還不能說明該部位是否啟動光合作用。二球懸鈴木在不同梯度LED光源照射條件下，不同冠層部位的光合速率隨著照度的削減而減弱，但總體上來講，光合速率均保持正值。此外，也表明了行道樹在連續(xù)且長時間道路照明的影響下，改變了植物的晝夜節(jié)律和光周期，從而啟動了植物的一些生理行為，致使夜間無法進(jìn)行正常休眠，甚至對植物產(chǎn)生較大的傷害，這一點已有學(xué)者證實[1，7]，強度為1μmol/(m2·s)的夜晚弱光處理下，足以達(dá)到進(jìn)一步損害光合器官所需的光強。

2.2.3 道路照明對葉綠素含量的影響

本調(diào)研結(jié)果表明，行道樹冠層部位葉綠素含量與光源的距離(強度)和類型有關(guān)。高壓鈉燈照射的行道樹葉綠素含量高于LED燈照射的葉綠素含量，這可能與光質(zhì)存在一定關(guān)聯(lián)。行道樹的葉綠素含量以靠近光源的最低，冠下光照強度較低，葉綠素含量相對較高(表2)。夜晚的長期燈光照射，可能會導(dǎo)致樹木枝葉干燥缺水或過度生長，伴隨著葉綠素含量及葉綠體結(jié)構(gòu)的改變，會呈現(xiàn)葉色變淡等一些不良性狀，影響樹木的觀賞價值。此外，夜晚照明造成冠層葉綠素分布不均，還有可能造成落葉的延緩，容易誘發(fā)枝葉的凍害。以上所誘發(fā)的不良后果已被諸多學(xué)者所證實[7，9-10]。

3 結(jié)語與討論

3.1 結(jié)語

基于道路照明與道路綠化相互影響的視角，探討了行道樹對照明效果的影響以及行道樹對道路照明的光合生理響應(yīng)。通過上述的調(diào)研結(jié)果與分析表明，城市道路照明與道路綠化兩者關(guān)系的不協(xié)調(diào)，會導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生相互不利的影響，影響兩者功能及效益的發(fā)揮。鑒于此，提出以下優(yōu)化調(diào)控策略與建議，旨在提升城市夜晚光環(huán)境質(zhì)量以及保護(hù)城市園林樹木及維系城市生態(tài)系統(tǒng)平衡，并為城市道路照明設(shè)計以及行道樹的配置提供了基礎(chǔ)支撐與參考。

表1 研究區(qū)域及對象概況

表2 不同光源類型及對應(yīng)光合生理指標(biāo)

3.2 討論

首先，針對行道樹對道路照明的影響。行道樹種類選擇的關(guān)鍵在于滿足遮陰功能，多以冠形碩大且圓滿為基本標(biāo)準(zhǔn)。燈具的選取多以滿足道路基礎(chǔ)照明的照度等照明標(biāo)準(zhǔn)確定。樹木規(guī)格與體量以及燈桿高度一旦在道路空間尺度上把握失衡或缺乏統(tǒng)籌部署，很容易造成兩者在空間上的重疊，進(jìn)而彼此相互影響其功能與效益的發(fā)揮。因此，可以依據(jù)道路尺度及燈具尺度及分布，對行道樹中的規(guī)格選擇、株行距設(shè)置以及空間分布進(jìn)行優(yōu)化；同時，也可以調(diào)整燈具高度及構(gòu)造(懸挑、仰角)與選型的方式，盡可能地避開與樹冠的交接(圖2)。

例如，針對體量較小的行道樹，可將燈具調(diào)整至樹冠上方，針對體量碩大的行道樹，如文中討論的行道樹二球懸鈴木，其樹木體量碩大，對燈具很容易形成遮擋，此時可考慮降低燈頭高度或改變燈桿構(gòu)造及形態(tài)調(diào)整至樹冠下方以滿足照明規(guī)范需求，或者可依據(jù)照明的光譜范圍、強度與方向等參數(shù)，同時確定照明對植物的影響范圍及程度，可以通過配合搭建智能燈控系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)控。此外，本研究調(diào)研的時期在夏初，不同生長發(fā)育階段與季節(jié)條件下的樹木冠層結(jié)構(gòu)變化對道路照明的影響也是不一樣的[6]，這也是下一步研究所要繼續(xù)完善的地方。

其次，針對道路照明對行道樹的影響。城市夜景照明系統(tǒng)布局不合理以及產(chǎn)生的光污染，不僅會對植物的生理生態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響[11]，甚至是對葉綠體等光合器官產(chǎn)生損傷[1]。本調(diào)研結(jié)果與分析也表明，夜間照明對樹木光合生理及冠層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定不利影響。以夜晚道路照明對光合作用啟動的臨界值為參考依據(jù)，建議提出人工照明與行道樹之間的“安全照明距離”，作為協(xié)調(diào)樹木配置及照明設(shè)計之間空間關(guān)系的參考依據(jù)。所謂安全照明距離，就是尋找特定光源照射下不同類型樹種啟動光合的臨界點，并以此為依據(jù)推算出照明設(shè)施與園林樹木之間的距離。例如，“評估人工照明對園林植物光合作用影響的光度學(xué)方法”專利中提到[12]，高壓鈉燈光照強度高于1 390lx，香樟啟動光合作用，大于該距離處的照度都低于光補償點的對應(yīng)照度，即高壓鈉燈照射香樟?xí)r的安全距離。照度與距離的換算可根據(jù)燈具類型和強度進(jìn)行確定，圖3是在150W照明光源下實測得出的距離與照度的相互關(guān)系。由于不同植物類型對夜間燈光照明的敏感度即適應(yīng)性不同，在不同光源條件下的光合特性均表現(xiàn)不同，因此，不同類型行道樹啟動光合的光照強度值也有所差異，故所需的安全距離也有所不同。因此，基于光合生理的行道樹與照明設(shè)施之間的安全距離估算也將是下一步要解決的問題。

此外，本研究所開展的調(diào)研只涉及樹木繁葉狀態(tài)下樹木的生理特性，城市道路照明對城市道路綠化的影響具有周期性與長期性，對于樹木不同生長階段的影響都是不一樣的，摸清夜晚照明對不同發(fā)育周期或節(jié)點的樹木影響機制仍需要長時間的積累觀測與驗證，還有道路夜晚照明對不同種類園林樹木的生理與生長所造成的不同影響有所差異，仍有待進(jìn)一步全面且系統(tǒng)的研究。

圖2 照明燈具與行道樹之間的空間關(guān)系調(diào)控前后比較示意

圖3 不同梯度條件下照明距離與照度之間的換算(150W光源)

致謝：感謝鄭州市城市照明燈飾管理處李凱、李峰、朱新磊和王攀林在調(diào)研過程中給予的大力支持，感謝河南農(nóng)業(yè)大學(xué)張志勇、李紅萍和常毅洪所提供的光合實驗儀器設(shè)備與技術(shù)支持，感謝參與調(diào)研的華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院的研究生丁益博、郭凱凱，本科生彭煜、張海洋、韓巧、張寶慧、趙芬、韓星和吳文志。