园林照明光源光谱与植物作用关系研究*

杨春宇 段 然 马俊涛 YANG Chunyu, DUAN Ran, MA Juntao

园林照明光源光谱与植物作用关系研究*

杨春宇 段 然 马俊涛 YANG Chunyu, DUAN Ran, MA Juntao

摘 要城市之中随处可见园林夜景照明，但我国缺乏园林夜景的照明技术规范，滥用光源的现象较为普遍。不科学的光源光谱使园林夜景效果不佳，干扰了植物健康生长。文章从光谱理论的角度分析了光源光谱与植物叶片反射光谱、植物光合有效辐射图谱的关系，得出光谱连续的白光光源使园林夜间视觉效果较好、但影响植物生长的结论；金卤灯、高压钠灯使园林夜间视觉效果与原植物有一定差距，但对植物生理影响较小。研究结果对园林夜景设计有较强的指导意义。

关键词园林夜景；植物照明；植物生长；光谱；植物反射光谱

杨春宇, 段然, 马俊涛. 园林照明光源光谱与植物作用关系研究[J]. 西部人居环境学刊, 2015, 30(06): 24-27.

0 引 言

城市夜景建设吸引了夜间旅游休闲消费，促进了经济的发展。城市夜景形象塑造需要对园林植物进行人工照明，几乎所有城市都可见到植物夜景照明。园林夜景照明是城市景观照明的重要组成部分，科学的园林夜景照明既要满足园林夜景的审美要求,又要符合园林植物的生长规律。植物是园林景观中具有生命的造景元素，是景观形成的重要基础和夜景照明的重要物质载体，也是表现力极强的夜间标志，能增强园林在夜间的可识别性[1]。目前，园林方面研究主要集中在日间园林景观形象上[2]，夜间照明研究主要集中在建筑物景观照明上[3]。而园林景观植物夜景照明缺乏标准规范，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。

运用不恰当的人工光照，会造成园林植物夜间色彩失真。光源色与园林植物本身的固有色[4]相互作用[5]，形成与白天不一样的感觉，使人视觉不舒适[6]，其呈现效果差，无法营造夜间气氛，也不能展现园林植物特点。同时，由于人为增加光照对植物有多种影响，还需要考虑光源光谱与植物生长的关系[7]。植物在进化过程中形成了对环境的适应能力，夜景照明每天延长的3小时左右光照量，打破了植物原本对所处光气候区光照的适应性，造成了园林植物生理生化指标紊乱，影响其正常生长，甚至使其枯萎死亡[8-9]。因此，对园林照明光源光谱进行参数定量研究，从光源光谱与物体反射光谱曲线角度进行理论分析，确定适合的园林夜景照明光源，使园林照明设计具有科学性，对减少对植物生态境影响具有重要意义。

1 植物光合有效辐射与光谱光视效率

人眼对光谱的敏感性与植物对光谱的敏感性不同。人眼最敏感的光谱为555nm，介于黄—绿光之间，对蓝光区域与红光区域光谱敏感性较差。植物则对蓝光与红光光谱最为敏感，对黄光、绿光敏感性较低。植物对光谱敏感性差异远远低于人眼差异。总体来说，植物对光辐射光谱中波长为400~700nm区域非常敏感，植物体内叶绿素a吸收光谱的高峰值是440nm附近的蓝光及680nm附近的红光；叶绿素b吸收光谱的最高峰值是470nm和650nm（图1）。

2 光源光谱与植物反射光谱

2.1 光谱相互作用关系

园林植物材质与颜色丰富，目前的园林夜景照明多从审美艺术方面考虑，缺乏科学的照明技术参数（图2）。在园林照明环境中，不同适应亮度环境下被激活的人眼感光细胞对于光谱的响应敏感度存在明显差异[8]，光源光谱能量分布对人的视觉产生重要影响。园林夜景照明中所呈现的效果是由光源色与园林植物色所决定的，光谱的相互作用会影响园林植物夜间视觉效果。不同园林植物景观由于其表面材质差异大及受照面角度不同，其光谱反射率也不尽相同。笔者利用光谱辐射照度计对园林植物叶片进行了天然光（日光）下反射光谱的测量（图3）。测量表明，植物叶片反射光谱与日光光谱是比较接近的，体现了植物叶片对日光的适应性。

图1 植物光合有效辐射与光谱光视效率 (a)植物光合有效辐射(b)光谱光视效率Fig.1 plant photosynthetic radiation spectrum (a) and visual spectrum (b)

图2 园林夜景照明现状图Fig.2 the status quo of garden nightscape lighting

2.2 人工光源光谱与植物反射光谱

在园林夜景照明中，常用光源为荧光灯、高压钠灯、金卤灯、LED等光源。测量光源光谱与该光源下植物叶片反射光谱曲线（图4），分析其曲线后得出：光谱较为连续的白光光源（图4a）[9]与自然光照下植物反射光谱曲线比较相近，视觉观察其植物的夜间色彩更接近自然状态，是较为适合的对园林植物的夜景照明光源，如荧光灯、LED光源。光谱较为不连续光源时，反射光谱部分缺失，使园林植物夜间颜色偏离自然状态，或使植物色彩更偏向于光源本身的光源色，如高压钠灯、金卤灯等。因此，在夜景设计时需要谨慎选择。

在园林照明中，单色光光谱光源也有少量应用。单色光一般指饱和度较高的光源，半峰全宽通常小，不恰当应用时将会带来较差的视觉效果，且由于单色光光谱所对应的波长范围非常窄，与景观植物作用后，反射光谱也在相应的窄波段范围。单色光源照射后物体色与单色光光源色非常接近，不适合于大面积园林照明。

图3 日光光谱以及植物叶片光谱反射率Fig.3 solar spectrum and the spectral reflectance of plant leaves

3 园林照明光源光谱对植物的影响

3.1 光谱与植物生长关系

光谱是影响植物生长发育的诱导信号，不同光谱成分被植物体内的光受体所感知，进而控制器官分化、光周期等[10-11]。光谱调控植物光合作用，如光谱能量较高的红光，通过抑制光合产物的输出来增加叶片淀粉含量，增加叶片厚度[12]；蓝光调控叶绿素的形成、气孔开闭及光合节律等生理过程[13]。人工光源光谱能量分布在315~400nm（紫）之间，叶绿素吸收光能少，影响光周期效应，阻止茎伸长；在400~520nm（蓝）之间，叶绿素与类胡萝卜素吸收比例大，促进光合作用；在520~610nm（绿）之间，叶片对光线反射，不吸收；610~720nm（红）之间，叶绿素吸收率低。

图4 光源光谱与植物反射光谱：(a)荧光灯 (b)高压钠灯 (c)金卤灯 (d)白光LEDFig.4 light source spectrum and reflectance spectrum of plants: (a) fluorescent lamp (b) HPS (c) metal halide (d) white LED

3.2 人工光源光谱与植物生长

将园林植物光合有效辐射图谱与光源光谱相结合比较（图5），植物光合有效辐射图谱与金卤灯光谱比较，金卤灯波峰范围在500~600nm之间时，可提供部分植物生长所需光谱，而大部分光源光谱对植物生长不起作用。植物光合有效辐射图谱与LED白光光谱比较，白光LED提供植物生长所需蓝光光谱及部分红光光谱，易被植物所吸收，会影响植物生理生化作用，最终影响植物生长。植物光合有效辐射图谱与高压钠灯光谱比较，高压钠灯光谱不连续，仅能为植物生长提供有限的有效能量。

植物光合有效辐射图谱与LED单色光（红、蓝）光谱进行对比，根据植物光合有效辐射图谱可知其红蓝比约为4:1~9:1，在此配比的红蓝光LED可为植物形态诱导及植物生长提供充足的光谱能量，但是红蓝配比光源照射下的植物呈粉红色，视看效果不佳，不利于园林夜景照明的大面积应用。

考虑到光谱对园林植物生长的影响，在园林植物夜景照明设计中，可选择植物不易吸收的光谱能量光源进行照明，如高压钠灯及金卤灯；若需要对园林植物形态、颜色及生长周期进行诱导，则选择能够提供植物生长所需光谱的光源进行照明，如白光LED或根据植物光合有效辐射图谱射得出的红蓝配比为4:1~9:1的LED光源。

图5 植物光合有效辐射与光源光谱对比示意图 (a)金卤灯 (b)白光LED (c)高压钠灯 (d)LED单色Fig.5 comparison of the plant photosynthetic radiation spectrum and the light source spectrum (a) metal halide (b)white LED (c)HPS (d)monochromatic LED

4 结 论

不科学的园林夜景照明既无法展现园林植物自身的艺术魅力，也影响园林植物的健康生长。笔者通过对园林照明常见光源光谱的测量分析，探讨了不同光源光谱用于园林夜景设计的视觉效果；将植物有效生理辐射光谱与光源光谱进行重合比较，讨论了不同光源对园林植物生理生化的影响。通过园林照明光源光谱与植物作用关系影响分析，得到以下结论：（1）相对光谱较连续的白光光源夜间再现植物原样效果较好，如白光荧光灯及LED；白光金卤灯由于不是连续的光谱，园林夜间效果呈现一般；高压钠灯光谱的作用效果偏向于黄色色域，使园林植物夜间色彩偏离植物原样，需谨慎选择使用。（2）单色光光谱光源会造成严重的植物夜间效果偏差，配比后的单色光更会呈现较差的色彩，单色光对植物生长影响较大，不利于园林夜景照明大面积应用。（3）根据光源光谱能量分布分析，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；高压钠灯与金卤灯光谱是非连续光谱，仅为植物生长提供有限的有效能量，对植物生长影响较小；白光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，对植物生长影响较大。

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图片来源：

图1-5：作者拍摄绘制

（编辑：卢一欣）

* 国家自然科学基金项目（51478060）

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20150606

中图分类号TU113.6+66

文献标识码B

文 章 编 号2095-6304(2015)06-0024-04

收稿日期：2015-12-09

作者简介

杨春宇： 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，ycull@163.com

段 然： 重庆大学建筑城规学院，博士研究生

马俊涛： 重庆大学建筑城规学院，博士研究生

The Study of Garden Lighting Spectrum and Plants

Abstract:Garden nightscape is developed in Chinese cities. However, due to a lack of standards for lighting technology, it is prevailing that the lighting in cities is not used properly. Unscientific lighting spectrum results in poor effects, and interferes with the growth of plants. By analyzing the relations among lighting spectrum, reflectance spectrum of plant leaves and photosynthetic radiation spectrum, this paper finds that continuous spectrum light source provides the gardens with better night vision, but also affects plant growth. Whereas metal halide and high pressure sodium lamp’s effects differs from original garden plants and has little effect on plant physiology. The essay tries to use landscape illumination technique to deal with plant health.

Keywords:Garden Nightscape; Plant Lighting; Plant Growth; Spectrum; Plant Reflection Spectrum