城市园林景观照明生态性控制研究

段 然

(西南大学园艺园林学院，重庆 400715）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市建设迅猛发展，城市景观照明在许多城市广泛开展，但各种城市夜景应该怎样建设?如何在保护城市生态系统前提下进行科学的城市夜景照明，如光污染、光生物安全、光与动植物关系等，是城市夜景照明需要解决的课题。

1 城市生态照明应考虑的内容

1.1 城市夜景照明应考虑的生态问题

(1）城市生态系统

城市生态系统是城市空间范围内的居民与自然系统和人工建造的社会环境系统相互作用而形成的统一体，属人工生态系统。它是以人为主体、人工化环境、人类自我驯化的、开放性的生态系统。自然环境系统包括大气、水体、土壤、岩石、矿产资源、太阳能等非生物系统和动物、植物、微生物等生物系统。社会环境系统包括人工建筑物等物质环境系统(各类建构筑物、供电、供能、照明、通风、市政设施等）和非物质环境系统(经济、文化、社会服务、科学文化教育等）。城市生态系统是由城市居民和城市环境系统组成，有一定结构功能的有机体。

(2）城市生态环境问题

人口剧增:从生态学角度看，地球上一切生物生存能是来源于太阳，地球接受阳光的面积是一定的，进行光合作用的绿色植物大体上也是一定的。全球绿色植物净生产力每年约为162×1015吨，折合成能量，约为3.05×1021焦耳。人类维持正常生存的能量每天约为8.37×106焦耳，1年为3.06×109焦耳，植物能食用的部分只占1%(还有其他动物靠植物生存）。照这个算法，地球上只能养活80亿人，中国人口合理数应为7亿人左右，目前已超过地球承受能力。

资源匮乏:资源分可更新资源与不可更新资源两大类。大气中的氧气可通过绿色植物光合作用得到补充，生物可以通过繁殖、生长发育来补充，称为可更新资源。矿物资源被开采，库存越来越少，不可更新再生。

生态环境恶化:地球是三分陆地七分海洋，沙漠及沙漠化土地占陆地总面积的35%，目前正以每年6万平方公里速度扩张。全世界每分钟就有150亩土地变成沙漠。全球性气候变暖:气候变化虽有客观自然规律，但也受人为活动影响，这个影响已超过气候自然变化，由于石化燃料燃烧，排放大量二氧化碳到大气中，又由于大量砍伐森林，破坏了大气中二氧化碳与氧气的平衡，本该森林吸收的二氧化碳未被吸收，使大气中二氧化碳含量增加了，地表热量逸散而使大气增温，产生“温室效应”。近一个世纪以来全球平均气温上升0.5℃，21世纪中叶，温度将上升1.5～4.5℃。引起城市生态环境问题的因素很多，但最主要的是超工业化的进程。

(3）城市环境质量评价内容

城市环境评价内容包含环境污染评价、自然环境评价、美学评价、社会环境质量评价。

城市可持续发展内容包含生态持续性、经济持续性、社会持续性。

1.2 光生物安全性

近年来的光生物学研究表明，光辐射与人类健康息息相关，不管是紫外光、可见光、红外光，在照射适当的情况下，都能对人体的生理产生积极的影响。然而，在照射不足或者照射过度的情况下，光辐射带来的影响是不能忽视的，也是存在潜在危害的。对光生物安全性的研究是对光辐射对人体的危害性的研究，为了评估光辐射的危害性，为人们提供安全用光知识，应当研究紫外、可见光与近红外、红外各个波段的光辐射对人体的各种生理上的影响。

(1）光辐射对人眼的危害

伴随着视网膜热危害，300～700 nm波段的光辐射能对视网膜造成光化学危害，甚至能够引发视网膜炎。中等或高强度的光辐射作用10 s后，光化学反应改变了视网膜上的细胞，较下层的组织浮现出来。这种危害一般在曝光4～48 h后显现出来，这种危害也可由长时期的弱光照射造成，因为这是一种光化学危害，所有危害效应与辐射波长紧密相关，波长440 nm的光危害最大，受到红外辐射影响会引发白内障。有危害的波段还包括780～1400 nm，一般认为这种危害和晶状体受到的直接影响、晶状体周围环境对晶状体的间接影响都有关。同样，这种损伤是不可修复的。

(2）光辐射对皮肤的危害

耐久性的皮肤晒黑往往代表着皮肤中细胞的受损，所以皮肤晒黑本身并不一定是健康的，人们把晒黑误认为是与晒黑有关的生活方式(如户外运动）造成的，误认为是健康的。导致皮肤发红和发痛的波段是320 nm以下的紫外辐射。研究表明，长期的光辐射能加速皮肤老化，呈现干燥、粗糙、皮革状和皱纹累累的外观。长期接受紫外辐射导致的最严重结果是引发皮肤癌，实验表明UVA和UVB能使老鼠患有皮肤癌。三种典型皮肤癌:基底细胞癌、鳞癌、恶性黑素瘤。

(3）紫外危害

因为紫外辐射波长最短，能量最高，紫外辐射是危害最烈的光辐射，所以一直是光生物学所关心的主要对象。研究表明，紫外线的有害效应主要是由于紫外线对脱氧核糖核酸(DNA）的作用造成的。最有害的效应是细胞致死，其他的效应则包括致突、致癌、干扰DNA、核糖核酸(RNA）和蛋白质的合成、细胞分裂的延迟，以及在通透性和能动性上的变化等。但是紫外线也有有益效应，如能促进人的皮肤产生维生素D。

(4）蓝光危害

随着时间推移，脂褐质在视网膜色素上皮细胞的积聚将使视网膜更容易受到长时间光照的损伤。研究表明，对由于遗传、营养、环境、习惯、年龄等因素而有上述视网膜斑点问题的人群，蓝光特别有害。尽管波长较短的UVA和UVB被角膜和晶状体吸收，但是研究发现，紫外到蓝光波段的光辐射都能造成此类危害。

(5）可见于红外危害

因为存在眼睛运动、瞳孔收缩、眼睛闭合等人眼自身的回避反应，曝光时间大于10 s的情况不需要考虑。视网膜危害有效曝光量不能超过10 s时的对应曝辐限值。

1.3 城市光污染的危害方面

(1）打乱人的生物节律，危害人体健康

干扰光，有的直射到人的眼睛造成眩光，有的通过窗户照射到室内，把房间照得很亮，影响人的正常工作、生活和休息，打乱人的生物钟的节律，危害人体健康。研究表明，夜晚强烈的灯光照射会扰乱人的正常激素的形成而影响人的健康，增加某些癌症的发病危险。

(2）危及交通安全

眩光对汽车司机的视觉作业造成不良的影响，引发交通事故;对旅客的正常的视觉活动，如走路，识辨路标、路障及周围环境状况等也造成影响;此外就是影响为交通运输作业提供视觉信息的信号灯、灯塔和灯光标志等的正常工作，降低其工作效能。

1.4 照明对动植物的影响

(1）对动物的影响

夜间室外照明产生的天空光、溢散光、干扰光和反射光往往把动物生活和休息环境照得很亮，打乱了动物昼夜生活的生物钟的节律，除了可见光影响外，照明器具发射出辐射能量对动物生活和成长也有影响。动物吸收照明辐射能量后，不仅引起温度变化，而且动物细胞的电场和生理也会发生变化。光照周期和光谱成分对动物的影响都具有科属特异性:①光照对动物摄食影响:研究发现红光照下许多动物摄食量增加，紫光照下许多动物摄食量下降。②光照对动物代谢影响:光照对动物新陈代谢有一定影响，光周期延长和缩短可引起代谢节律的波动。③光照对动物内分泌系统影响:研究表明，激素分泌活动受光周期光照强度影响，特别是影响脑垂体的活动。

(2）对植物的影响

1）破坏了植物生物钟的节律:如果夜间室外灯光照射植物，就会破坏植物体内生物钟的节律，有碍其正常生长，特别是夜里长时间，高辐射能量作用于植物，就会使植物的叶或茎变色，甚至枯死。

2）对植物花芽形成的影响:光对植物的影响，除光合作用外，还有植物的光周性、屈光性、趋光性和分光灵敏性等，不仅对植物外观有影响，而且花芽的形成，叶子的发育都密切相关。人们把植物接受光的时间，称作日长条件。如果日长比某一时间长时，这样形成花芽的植物称长日植物。如果长时间、大强度的夜间灯光照射，就会导致植物花芽的过早形成。

3）对植物休眠和冬芽形成的影响:树林在夜间受强光照射，使休眠受到干扰，引起落叶形态的失常和冬芽的形成。树木休眠和冬芽的形成，除灯光的作用外，气温、营养、大气污染及管理等都有关系。易受灯光影响的树种有枫树、四照花、垂柳，特别是橙皮、针枞对光的影响最敏感，夜间不能有灯光照射。桃花按不同叶龄，对灯光的灵敏度也不一样，受到强光照射的部位，跟其他部位的叶和花明显不同。由于光的照射，梧桐树、刺槐的叶子的密度将逐渐减少，留下的叶片也会慢慢枯死。对叶榉树、银杏树来讲，受光照射的影响很小，落叶主要受温度影响，而不是光照的结果。

4）植物对光谱的敏感度:植物对波长为400～700 nm之间的光谱非常敏感，该波长范围段促进光合作用的辐射(PAR）。这个波长和可见光相近，但植物对于红光和蓝光敏感大，红光峰值在630 nm，蓝光在450 nm。而人眼对光的敏感峰值在黄绿区域即555 nm波长处。450 nm蓝光对植物叶片和根系生长重要，600～700 nm红光有利于茎的生长，并促进开花和叶绿素形成。

1.5 光污染对城市环境和气候的影响

(1）对城市环境的影响

过度的照明使夜晚城市建(构）筑物、植物、道路等亮度过高，照明的部分光线射向天空造成能源消耗和浪费，全球每年照明耗电约2万亿度，生产这些电力要排放十几亿吨的CO2和一千多万吨SO2;我国照明耗电按总发电量的10% ～12%计算，2001年照明耗电达1433.25～1719.9亿度，目前我国电力生产，2/3为火力发电，火力发电3/4是使用燃煤，按每生产1度电产生的污染物CO2为1100 g，SO2为9 g计算，每年要排放7～9千万吨CO2和60～70万吨SO2。因此，城市照明在美化城市的同时，也耗费了大量资源，并对城市环境造成严重的污染。

(2）对城市气候的影响

市内气温通常比郊区要高几度，这除了地面大量用混凝土或沥青混凝土覆盖，楼群密集，空调的大量使用外，就是照明设备排放的热量助长了城市的温升。研究自然大气中的空气运动发现，一种是在水平方向高度1 km以上的自由大气;另一种是在垂直方向，高度在5 km以上的自由大气。在不同垂直高度上，最大上升气流的速度是变化的，两者的关系在地面附近也存在微弱的上升气流。当大量室外照明开放时，在客观上是提高了地面气流的上升速度。各种热源对气流加热，并和大气中的CO2结合，随之上升到空中，形成气云和“温室效应”，最后导致城市气候异常情况的发生。

2 城市生态照明的技术要求

2.1 室外照明要求

人工室外照明在夜间既能提供视觉信息，又可延长人们活动时间段，可以使人们在室外工作场所安全安心工作和进行各种休闲娱乐活动。让汽车安全行驶，人们在道路街道中安全行走，并防止受侵犯。室外照明要具有视认性、认知诱导性、舒适性和审美性，就需要正确运用人工照明。人工照明能延长人们的夜晚活动时间，提供稳定的光环境，对人类产生巨大影响，但生物与光辐射关系密切，辐射量增大和延长，对生物的影响不可忽视。地球上数万计生物(包括人类）对光的反应非常复杂，辐射对生态系统影响:①危及到生命;②对生态有冲击;③左右行动活动、打乱生物节律;④对生物的损伤。目前国际上正在对不同种类、对象波长范围允许露光亮等研究，几乎所有一般照明用人工光源都对生物有不同程度的危害和影响。夜间室外照明和生态、环境保护、审美、功能需求等是一个矛盾体，也是双刃剑，必须科学规划和设计。

2.2 室内照明要求

人类活动大部分时间是在室内进行，按照生物的正常需求，白天应该是接受天然光照射状态，夜晚才需要呆在室内进行休息。但人类文明进步恰恰是建造了各种建筑，才能满足人们的工作生活学习的需要和各种科学研究等创造性发明活动。因此，白天室内活动占据人们主要的时间，人们在窗户边接受天然光的时间总是有限的，且地球与太阳的关系是每一秒都在发生变化，建筑是不变，天然光却在不停地变化。大进深的建筑空间、地下建筑等使人们接受天然光不足。办公、会议、商场、工厂、学校、图书馆、车站、医院、剧场、展览馆、体育馆、地下空间等必须使用人工照明才能满足人类需求，而几乎所有的一般人工照明光源对生物都有不同程度的危害和影响，这就需要从人的生理、心理出发，了解不同光源等照明器具的特性。例如，光强、光通量、照度、亮度、辐射强度、辐射通量、光谱分布等;人工照明与人的视觉系统、光频效率、明适应、暗适应、中间视觉、生物节律、亮度对比识别、视力与空间分辨率、闪烁、眩光等物理性认识;人工照明与心理影响，色彩的心理效应、心理物理量、心理感受与评价等相关影响。而各种室内功能(办公、学校、工厂、商场等）不同，需要的人工照明状况不同，这就需要将不同照明功能的照明物理性与人生理心理性相联系进行考虑，才能使室内照明具有科学性，既有利于满足功能需求，又符合人的健康需求，才是一种生态性照明。

2.3 景观生态照明要求

①确定植物生长所需要的照明光谱范围和强度;②确定植物生长所需要照射的区域、面积;③确定植物生长所需要的理论总辐射功率(即区域面积×光强=PARW）;④计算光在照射中的光损失;⑤确定合适的光源及其数量;⑥根据区域形状确定灯具排布。

2.4 城市照明、环保要求

(1）夜景照明环保原则:夜景照明应积极推广绿色能源、绿色照明产品，选用的照明产品应达到绿色环保要求，在适宜的环境下有条件地选用新型环保能源与光源——太阳能及其灯具;应建立夜景照明设施废弃物的安全回收处理制度;夜景照明不应影响居民生活，不应干扰动物生物钟节律，不应长时间、大光通量、不按植物光生长需要地照射植物。

(2）夜景照明的光污染限制:在保证照明效果的同时，应防止夜景照明产生的光污染。光污染的限制应遵循下列原则:在保证照明效果的同时，应防止夜景照明产生的光污染;限制夜景照明的光污染，应以预防为主，避免出现先污染后治理的现象;对已出现光污染的地方，应同时做好预防治理光污染工作;应做好夜景照明设施的运行与管理工作，防止设施在运行过程中产生光污染。光污染的限制应采取下列措施:应对限制光污染提出相应的要求和措施;在设计城市夜景照明工程时，应按城市夜景照明的规划进行设计;应将照明的光线严格控制在被照区域内，限制灯具产生的干扰光，超出被照区域内的溢散光不应超过15%;应合理设置夜景照明运行时段，及时关闭部分或全部夜景照明、广告照明和非重要景观区高层建筑的内透光照明。

3 小结

城市夜景照明是城市照明建设的一项重要内容，城市照明既要考虑夜景的美观、照明的使用功能，还应从城市生态系统角度进行考虑。由于城市生态系统是居民与自然系统和人工建造的社会环境系统相互作用而形成的统一体，城市照明是人工建造环境中的一个组成部分，将夜景照明纳入整个城市生态系统中考虑，是城市照明可持续发展的一条必经之路。

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