园林照明对景观植物叶片色彩影响研究

2016-05-08 16:02:39


段然 / DUAN Ran 杨春宇 / YANG Chun-yu 陈霆 / CHEN Ting

摘要:园林夜景照明在全国广泛开展, 滥用光照干扰了植物的生物节律,影响了植物叶片呈色与造景色彩。通过对重庆8个区域照明对植物叶片色影响的调研和光照测量,并对4种常用光源光谱的检测,研究了人工光照对植物叶片色的影响,得出高压钠灯和金卤灯大部分光谱对植物叶片色影响小,白光LED及荧光灯因蓝光光谱对叶片色影响大的结论。建议了适合园林植物色彩保护的照明参数,并用照明技术解决因天然光照不足产生的植物叶片色彩问题。

关 键 词:园林植物;园林照明;植物叶片色彩;光谱能量分布;光照强度

文章编号:1000-6664(2016)01-0083-04中图分类号:S 688

文献标志码:A

收稿日期:2015-08-01;

修回日期:2015-09-25

基金项目:国家自然科学基金“基于光气候分区的高校室内照明与大学生抑郁情绪的光生物效应研究”(编号51478060)资助

Abstract: Garden nightscape developed widely in China, but the abuse of light disturbed the biological laws of plants and caused the change of the colors leaves. The research was conducted in Chongqing, which included the effect on colors of plant leaves based on the measurement of illumination of landscape lightning in 8 areas. With the measurement analysis of intensity of four artificial lights and spectral energy distribution, the rule is worked that the colors of leaves of garden plants change with the alteration of artificial lights, and LED lighting interferes the plants mostly while HPSL and MHI the least. The paper tries to use landscape illumination technique to deal with uneven plant colors, and offer technical parameters of landscape illumination based on landscape ecology.

Key words: landscape plants; landscape illumination; leaf color; spectral energy distribution; illumination intensity

中国城市广泛开展夜景照明建设,美化了夜间环境,吸引了人们进行夜间旅游休闲消费,促进了经济发展。园林景观植物是夜景照明的重要对象之一,几乎每一个城市都随处可见植物夜景照明。光照与植物生长有着密切的关系,人为增加光照对植物有多种影响。由于中国缺乏对园林植物夜景照明的标准规范,导致植物照明缺乏技术指导,滥用各种光源照射植物的现象较为普遍,特别是随着旅游业发展,除城市外,不少自然风景区也在进行夜间照明。因此,研究人工照明对植物生长的影响具有重要意义。

光照与植物生长及植物叶片色彩变化有密切关系[1],植物叶色与植物光合作用相关[2]。光照强度、光源光谱能量分布以及光照时间都会影响植物色素合成
[3]及相关酶的活性[4],进而干扰植物叶片呈色。人工光照强度及光谱能量分布不同于天然光,人为地增加园林植物的光照量,延长光照时间,扰乱了植物的生物节律。目前中国园林夜景照明缺乏针对植物保护的技术指标,夜景照明较多是从园林形象塑造的艺术性[5]及使用性[6-7]进行研究。本文以重庆植物夜景照明常用光源与园林植物为研究对象,对园林夜景照明现状、植物叶片色彩等进行调查分析,检测常用的荧光灯、高压钠灯、金卤灯与LED灯光谱能量分布和它们对植物的影响,研究人工光源诱导植物叶片色彩变化因素,为园林夜景照明建设提供科学的技术指标。

1 光照对植物叶片色彩的影响

光谱是影响植物光合作用的诱导信号[8]。植物在生长过程中仅能吸收特定波长的光谱能量和一定强度的光照,其他波长的光谱能量和过量的照度对植物生长没有明显作用。在影响植物叶片色彩方面,起主要作用的是波长为100~400nm的紫外光和400~520nm的蓝光[9],此时叶绿素与类胡萝卜素吸收比例较大[10]。植物叶片对光照强度的敏感性有一定的差异[11],某些园林植物叶片色彩变化过程与光照强度正相关[12],在强光条件下叶绿素被破坏,进而产生大量胡萝卜素使植物在强光下变橙变红,叶片色彩随光照强度升高而越发鲜艳。光是植物昼夜、季节周期的信号。延长光照时间会扰乱植物的生物节律[13],刺激光敏色素传导信号,诱导相关基因的表达[14],从而影响植物叶片季节性色彩变化。

2 研究方法及结果分析

2.1 研究方法

有针对性地对人工光源照射下的园林灌木植物叶片色彩进行调研。在调研过程中,为排除日光受遮挡及受光角度的因素,选取未受建/构筑物及其他植物遮挡的灌木进行观察并采用照度计测量光照强度。所观察测量的园林灌木均生长在标准的花园土壤中,各调研区域日照、温度、降水量基本相同。用XYI-Ⅲ全数字照度计对植物水平照度进行测量,在植物被照面均匀取点进行多次测量并计算平均照度值。

2.2 夜景照明现状调研

本次调研包括重庆市主城区部分公园、广场、步行街绿化带、公路绿化带、住宅小区等。对同株植物受不同光谱光源照射部分叶片色彩进行比较,记录整理植物种类名称、比较结果及人工光源的类型及测量的照度值等(表1)。


图1 园林植物叶片色彩变化图


图2 园林植物叶片色彩随光照强度变化图


图3 LED光源下不同光照强度的红花檵木叶片色彩比较图


图4 金卤灯下不同光照强度的红花檵木叶片色彩比较图


3 调研现状及光照分析

3.1 调研现状分析

调研发现,重庆市主城区园林夜景照明中主要以红花檵木、杜鹃、巧玲花等灌木作为照明载体。同株植物用人工光照射部分与常规部分叶片色彩差异明显(图1),人工光源附近的植物叶片色彩发生了变化。照明强度差异很大,高值达5 450lux,低值仅92.1lux,相差近60倍。在光源使用上,荧光灯、金卤灯、LED灯也都在使用,即使同种植物,既有使用荧光灯、金卤灯照明的,也有使用LED灯照明的,说明使用人工光照随意性极强,缺乏标准规范指导。

夜景照明区域植物色彩与常规植物叶片色彩差异的主要原因如下:1)人工光源照射使植物萌发大量新生叶片,其色彩鲜嫩,与其他叶片色彩区别明显,如红花檵木、巧玲花(Syringa pubescens);2)光源周围植物枝叶老化,叶片革质,色泽较其他叶片深,如黄杨、木樨;3)彩叶植物叶片色彩随光照强度增强由绿变红又变绿,如石楠、南天竹;4)人工光源周围植物叶片适光变态,叶片色彩改变,如杜鹃等。

3.2 光源光照强度分析

采用视觉目测植物叶片色彩变化的定性评价与光照强度测量的定量评价曲线图,分析其相互之间的变化规律。

对被照射植物进行数量统计,视觉目测评价数量级为纵坐标,颜色越深其值越高;以所测得的光照强度为横坐标,叶片色彩变化程度与光照强度关系如图2所示。

对相同植物散射光照点照度值进行曲线拟合,可看出植物叶片色彩随人工光源光照强度变化的趋势。由图2可知,巧玲花为阳生植物,随光照强度的升高,植物叶色由深到浅又趋于稳定,此时,人工光源附近植物生长新叶,色彩与老叶区别明显。植物叶片色彩随光照强度升高色彩由深变浅,当光照达到植物生长平稳的强度,叶片色彩不再变化;光源附近的木樨叶片随光照强度升高枝叶老化,叶片革质,色泽较其他叶片深,呈现叶片色彩不断变深的情况;南天竹为阴生植物,叶片色彩随光照强度增强,色彩先变浅又变得非常深。曲线中红花檵木叶片色彩随光照变化并不明显。对同株不同光照强度下的叶片进行色彩比较,由图3、4可以看出,在LED光源及金卤灯的照射下,随着光照强度,增强植物叶片色彩越浅。

3.3 光源光谱能量数据分析

目前,园林夜景照明使用的人工光源主要是荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯和LED灯。在光度学实验室对这4种光源光谱测量,得到光源光谱能量分布图(图5)。荧光灯光谱能量分布具有连续光谱特点,能提供植物生长所需的大部分光谱能量,但由于荧光灯灯形等原因,难以广泛应用于园林夜景照明;高压钠灯灯光为非连续光谱,其峰值在570~600nm之间,仅为植物生长提供局限的有效能量;金卤灯光谱能量峰值范围在500~600nm之间,可提供部分植物生长所需光谱,大部分光谱能量对植物生长不起作用;LED光谱能量分布能提供植物生长所需蓝光光谱及少量红光光谱,对植物叶片色彩影响较大。

表1 重庆市园林夜景照明现状与植物叶片色彩调研表


4 讨论

人工光源中引起植物叶片色彩变化的主光谱是蓝光光谱。根据所测光源光谱能量分布图,荧光灯及LED中蓝光光谱成分较高,能够诱导植物新叶生发及叶片老化,进而改变植物叶片色彩,是影响植物叶片色彩变化的主要光源。在园林夜景照明设计中,叶片色彩变化明显的植物应避免选用高照度LED光源;如根据植物色彩配置而调节植物叶片所需色彩时,可采用LED光源。

植物对光照强度的适应性不同,可划分为阳生植物、阴生植物。掌握了植物叶片随光照强度变化的规律,在进行植物照明时,光照强度应该根据植物适光特性进行控制,保持光照强度在植物光补偿点与光饱和点之间。此时,既可激发植物光合作用又不损伤植物生理健康,符合阳生植物光照强度控制在2 000~20 000lux,阴生植物光照强度控制在500~5 000lux[15]。园林夜景照明的时间具有可控性,一般控制在3h左右。在园林夜景照明设计时,可根据园林植物种类、天气状况、地理条件等进行调控光照时间和周期。当暗期过长如雾霾、连续阴雨天气等导致园林植物叶片色彩不佳时,可延长夜景照明人工光照时间,对园林植物进行补光,也可采用人工照明方法调节园林植物光照时间,诱导植物叶片色彩变化到理想状态。

园林夜景照明已成为各城市普遍现象,但夜景照明对植物的影响研究还非常滞后,特别是从不同光源光谱能量分布、光照强度等方面的研究以及相关标准规范还非常缺乏,其中还有许多问题需要进一步深入研究。加强园林夜景照明对植物叶片色彩作用方面的基础研究,为园林景观设计提供研究方法和科学依据,具有重要作用。


图5 不同光源光谱能量分布图

表2 视觉目测植物叶片色彩变化评价表


5 结论

植物叶片色彩的无规律变化对观赏园林景观不利,也增加了园林维护费用。在园林夜景设计时,应科学选取人工光源进行园林夜景照明。对于叶片色彩改变较明显的园林植物类型,如红花檵木、巧玲花、杜鹃等,可选取金卤灯及高压钠灯进行光照,既可获得良好的夜景效果,又避免由于增加人工光照引起局部植物色彩改变;在对彩叶植物进行园林夜景照明时,应避免选用大功率LED;对于需要重点突出夜景照明的植物,需根据植物光适应性,选择合适的光谱并控制光照强度,有针对性地增加园林夜景照射时间来对植物叶片色彩进行调控。

参考文献:

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[15] 李农,王钧锐.植物照明的生态环保研究[J].照明工程学报,2013,24(2):5-9. (编辑/李旻 王珮涵)

作者简介:

段然/1986年生/女/吉林长春人/重庆大学建筑城规学院在读博士研究生/研究方向为建筑光环境(重庆 400045)

杨春宇/1953年生/男/重庆人/博士/重庆大学建筑城规学院、山地城镇建设与新技术教育部重点实验室教授,博士生导师/研究方向为建筑光环境(重庆 400045)

陈 霆/1987年生/男/福建上杭人/重庆大学建筑城规学院在读博士研究生/研究方向为建筑光环境(重庆 400045)

注:文中图表均由作者拍摄或绘制。

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