室內(nèi)光環(huán)境對植物生長的影響

王琦

（長春電子科技學(xué)院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計專業(yè)，吉林長春 130000）

室內(nèi)設(shè)計涵蓋居住建筑室內(nèi)設(shè)計、公共建筑室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)建筑室內(nèi)設(shè)計以及農(nóng)業(yè)建筑室內(nèi)設(shè)計四大類，前三類設(shè)計通常采用自然光和自然光混合人工光的方式設(shè)計室內(nèi)光環(huán)境，后者通常采用人工光源的方式進行室內(nèi)設(shè)計。但對室內(nèi)植株培養(yǎng)的光源設(shè)計而言，既要保障室內(nèi)的基本照明，又要確保植株能夠吸收到生長所需的光?；诖?，針對室內(nèi)植株培養(yǎng)室光環(huán)境設(shè)計藝術(shù)進行分析，思考一種能夠滿足植株培養(yǎng)室所需光源的設(shè)計。

1 光環(huán)境設(shè)計藝術(shù)下室內(nèi)設(shè)計的要素分析

1.1 室內(nèi)設(shè)計中光環(huán)境的光源色溫與顯色性

1.1.1 光源色溫。光元素是現(xiàn)階段室內(nèi)設(shè)計中的重要組成部分，設(shè)計師在營造良好的室內(nèi)光環(huán)境時，需要以室內(nèi)光源結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并結(jié)合室內(nèi)結(jié)構(gòu)選擇合適的光源色溫進行藝術(shù)創(chuàng)造。自然光與室內(nèi)裝飾材料間的結(jié)合，隨著光照強度與溫度不斷升高，其照射在裝飾材料上的光顏色也會隨著發(fā)生變化，比如，以黑色作為底色設(shè)計裝飾材料，當(dāng)太陽光以不同角度對其照射時，光源的光色與黑體產(chǎn)生的變換性光感即是黑體材料所得到的色溫，這種設(shè)計能有效填補因太陽光照射強度過低導(dǎo)致的色溫問題[1-3]。而在完全人工設(shè)計的光環(huán)境下，則無需考慮因光源變化而出現(xiàn)的光源色溫問題。

1.1.2 光源顯色性。光源顯色性是室內(nèi)設(shè)計中形成固定光感環(huán)境的重要因素之一。光源顯色性主要指通過光照的方式使物體反射出不同顏色的性能，顯色性越好的材料和顏色所呈現(xiàn)的光感效果就越好，就越能夠得到設(shè)計之初的光環(huán)境。例如，機場、火車站以及展覽館等建筑，其對光源顯色性的要求在于亮度的高低，因此這些地方的建筑多會采用大面積頂層和側(cè)面采光的方式進行設(shè)計[4]。而一些農(nóng)業(yè)試驗性質(zhì)的建筑，因試驗性質(zhì)的要求會對光源進行控制，因此在固定光源照射下其顯色性會相對固定。例如，在農(nóng)業(yè)實驗探究不同顏色光源照射下對植物生長的影響中，便需要一直保持實驗室內(nèi)的光源顯色性處于恒定[5]。

1.2 室內(nèi)設(shè)計中自然光和人工光的應(yīng)用效果

室內(nèi)設(shè)計中光環(huán)境的藝術(shù)設(shè)計不論從二維還是三維的角度出發(fā)，光源基本都是由點、線、面等基礎(chǔ)單位所構(gòu)成的。在光環(huán)境的實際應(yīng)用設(shè)計中，設(shè)計師一般會通過多種光源組合或者外部材料結(jié)構(gòu)豐富光環(huán)境，使室內(nèi)光環(huán)境無論自然光還是人工光都可以具有豐富與立體的效果[6]。從自然光源設(shè)計的角度出發(fā)：自然光可分為自然光源和人造光源兩種實體形態(tài)。對人類而言，自然光源在所有光源中顯得更為親切與舒適，而過于強烈或異樣的人工光源會讓人產(chǎn)生不安情緒。而現(xiàn)代建筑下的玻璃窗、玻璃墻和玻璃門等透光性建筑材料，都能夠更好地配合自然光與室內(nèi)光環(huán)境相結(jié)合，讓原本屬于封閉的環(huán)境盡可能被自然光所包圍。從人造光源設(shè)計的角度出發(fā)，人造光源具有種類豐富、色彩鮮艷與功能強大等特點，可以將其應(yīng)用在各種室內(nèi)設(shè)計下的光環(huán)境設(shè)計中[7]。人造光源與自然光相比，最大的意義在于人類可控制光，進而能夠進行一些需要控制光源變化的光環(huán)境設(shè)計，例如制藥、育苗以及各種熒光劑檢測試驗。自然光與人工光源在居住和工作建筑內(nèi)的應(yīng)用設(shè)計較常見，且設(shè)計藝術(shù)層次已有很大程度的發(fā)展與研究。因此，將重點分析人工光源在植株育苗實驗室內(nèi)的光環(huán)境設(shè)計，思考人工光源設(shè)計藝術(shù)對科技發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 室內(nèi)育苗的光環(huán)境設(shè)計

2.1 研究意義

在植物育苗實驗研究中，光照、降水以及溫度等因素是可以直接影響植物走向的變量，因此為更好地進行植株育苗工作?，F(xiàn)階段，很多育苗研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)進行，在室內(nèi)雖然溫度與降水等因素可以得到控制，但試驗仍會受自然光的影響。對此，本研究將針對實驗室內(nèi)育苗光環(huán)境設(shè)計藝術(shù)進行分析。

對于植物幼苗而言，紅光（660nm）和藍(lán)光（450nm）是植物進行光合作用所吸收的主要光，而730nm 的遠(yuǎn)紅光雖然對植物幼苗的生長影響較小，但仍需要對其進行控制。植物中上部分的葉綠素對紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)光源吸收量最大，而對遠(yuǎn)紅光吸收量最小。因此，在育苗實驗室中，其光環(huán)境的設(shè)計應(yīng)呈階段性分布，即上層光源應(yīng)以紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)光源為主，下層紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)的光照波長應(yīng)逐漸減弱。因此，本研究以上述3 種波長的LED 燈按照一定比例進行組合，并調(diào)節(jié)其強度和比例，以探究光環(huán)境設(shè)計對植物幼苗及生長過程的影響。

2.2 光源主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以上述植物生長習(xí)性為基礎(chǔ)，設(shè)計10 個LED 燈板。為防止光源產(chǎn)生溫度影響實驗環(huán)境，將使用鋁材作為光環(huán)境層次設(shè)計的主體結(jié)構(gòu)框架，框架的應(yīng)力結(jié)構(gòu)則采用鋼材制造。以現(xiàn)階段農(nóng)產(chǎn)品雜交實驗室通用的多層植物培養(yǎng)架標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計LED 燈板的尺寸，因本實驗選擇的農(nóng)作物為玉米和大豆，因此整個LED 光源板的寬為60cm，長為100cm；并將實驗所涉及的其它設(shè)備隱藏到框架內(nèi)部，避免其影響育苗光環(huán)境。

2.3 材料與方法

2.3.1 玉米套種大豆田間光環(huán)境測定。植株的種植方式按照我國西南地區(qū)玉米與大豆的栽培方法進行育苗，玉米于4 月上旬進行播種，種植密度為41000～44000 株/hm2，實驗寬窄行間法進行隔離栽培，寬行行距設(shè)計為150cm，窄行行距設(shè)計為50cm。當(dāng)玉米育苗生長到大喇叭口期時，即種植后約50～65d 時在玉米寬行內(nèi)播種大豆。用AvaField-1 地物光譜儀測定寬窄行間下的光環(huán)境。

2.3.2 應(yīng)用LED 光源模擬田間光環(huán)境。以上述方法制作2 個能夠獨立控制且相同的LED 光源發(fā)生器，并將其安裝在光環(huán)境層次設(shè)計的框架上，根據(jù)AvaField-1地物光譜儀測定結(jié)果，利用控制器調(diào)節(jié)燈板上3 種顏色LED 燈的輻射強度。其中，一個光源需要模擬自然光照環(huán)境；而另一光源需要模擬植株在復(fù)合群體下蔭蔽的光環(huán)境。設(shè)定2 個光源板上的LED 燈閃爍頻率為500Hz，光環(huán)境周期為13h，無光照時間為11h。將大豆播種到高度和直徑均在10cm 的器皿中。每天進行1 次澆水活動，使土壤基質(zhì)的含水率能夠保持在70%～75%，以7d為周期澆1 次1/2Horland 培養(yǎng)液。每盆3 株，分別置于2 種LED 燈光環(huán)境下進行培養(yǎng)，室內(nèi)溫度維持在25℃，空氣濕度維持在70%，每個處理8 盆，重復(fù)3 次。隨著植株的生長而不斷調(diào)節(jié)其高度，使紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)形成的光環(huán)境能夠始終與植株頂端距離保持在10cm，從而得到準(zhǔn)確的人工光環(huán)境設(shè)計對植物生長影響的數(shù)據(jù)。

2.3.3 相關(guān)指標(biāo)測定。應(yīng)用AvaField-1 地物光譜儀測定植株生長光環(huán)境，主要包括LED 光源距植株10cm 處的光環(huán)境光譜組成、輻射強度以及均勻程度等。當(dāng)2 種光環(huán)境下培養(yǎng)的植株生長到復(fù)葉全展時期，對植株的株高、莖粗、葉面積、鮮葉質(zhì)量以及干質(zhì)量等指標(biāo)進行測定記錄，并采用抗倒儀測定植株胚軸中部的抗折力。利用SPSS13.0 統(tǒng)計軟件，以T 檢驗法分析檢測數(shù)據(jù)的差異顯著性。

2.4 測試結(jié)果

2.4.1 玉米套種大豆田間光環(huán)境。在人工模擬自然光下的田間實地測定結(jié)果表明，大豆植株在玉米遮陰的情況下所能接收到的有效光合輻射強度降至自然光的25.97%左右；因玉米植株對光譜中不同波段的吸收率存在一定差異，所以導(dǎo)致人工設(shè)計藍(lán)光、紅光和遠(yuǎn)紅光組成的光環(huán)境存在透光率不同的問題，其中藍(lán)光區(qū)與紅光區(qū)的透光性與輻射強度不具有顯著的透光差異，而遠(yuǎn)紅光區(qū)的透光程度遠(yuǎn)高于藍(lán)光區(qū)與紅光區(qū)，但輻射強度卻低于藍(lán)光區(qū)和紅光區(qū)的光線。因此，大豆植株所處階層的光環(huán)境設(shè)計與自然光相比存在總有效光輻射降低而遠(yuǎn)紅光比例增加的情況，人工光環(huán)境設(shè)計對植株生長的影響數(shù)據(jù)如圖1，表1 所示。

圖1 自然環(huán)境和玉米行間光譜對比

表1 自然光與玉米行在兩種人工光環(huán)境下的光照輻射強度比較（單位μ/m2/nm）

2.4.2 LED 光源模擬設(shè)計的田間光環(huán)境對植株生長的效果。根據(jù)上述玉米套作大豆田間的人工光環(huán)境設(shè)計參數(shù)，設(shè)定A 與B 2 個LED 光源的藍(lán)、紅和遠(yuǎn)紅光的光強，測定2 個LED 光源下10cm 處的光環(huán)境，由地物光譜儀測定出的光譜圖見圖2。結(jié)果表明，所研究的人工LED 光源光環(huán)境設(shè)計可以很好地模擬田間下的自然光環(huán)境。

圖2 LED 光源模擬田間光環(huán)境效果圖

因植株育苗培育實驗下的作物分子及生理機制研究需要保障植株生長具有一致性，因此設(shè)計具有范圍性與相對均勻性的光環(huán)境對于實驗顯得尤為重要。為分析光源板下人工設(shè)計波長的均勻程度，將在光源板上2 個斜對角處取11 個間距均為10cm 的點，測定450nm、660nm 以及730nm 的3 個波段輻射強度，重復(fù)5 次，測定數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 LED 光源對角線上不同點的光譜組成

由圖2～3 數(shù)據(jù)可知，在各個監(jiān)測波段下，除起始監(jiān)測點的輻射強度相對較弱外，其余9 個點的光環(huán)境輻射強度變化幅度均相對較小，證明人工設(shè)計由3 個波段組成的光環(huán)境在培養(yǎng)架區(qū)域內(nèi)分布均勻。

2.4.3 不同LED 人工光源下大豆植株的生長情況。由表2 中記錄數(shù)據(jù)可知，在應(yīng)用3 種不同波長的LED 燈模擬植株田間套作蔭蔽光環(huán)境下，大豆植株的株高、葉面積以及莖干重等指標(biāo)數(shù)據(jù)均有明顯增加，而植株的葉干質(zhì)量、根干質(zhì)量、比葉質(zhì)量、根冠比以及葉片SPAD 值等數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)顯著降低，因此大豆植株將表現(xiàn)出體態(tài)纖細(xì)與光合能力下降等問題，這種頭重腳輕的植株會面臨莖稈強度下降和易倒伏等問題，而這是植物在蔭蔽光環(huán)境下出現(xiàn)的典型避蔭性反應(yīng)，證明本研究的人工光環(huán)境與自然光環(huán)境產(chǎn)生的效果相同。

表2 LED 光源模擬間作蔭蔽光環(huán)境對大豆植株生長的影響

3 結(jié)語

因現(xiàn)階段已有很多針對人類居住與工作建筑的室內(nèi)光環(huán)境設(shè)計研究，而缺少針對科研領(lǐng)域與特殊人工光環(huán)境設(shè)計的分析與思考，對此的分析對象為小領(lǐng)域農(nóng)業(yè)研究實驗室光環(huán)境設(shè)計。通過分析人工LED 光源設(shè)計對玉米與大豆蔭蔽種植的影響，并與自然光環(huán)境進行對比，探究出人工光環(huán)境設(shè)計的藝術(shù)層次。