室内光环境对植物生长的影响

王琦

（长春电子科技学院环境艺术设计专业，吉林长春 130000）

室内设计涵盖居住建筑室内设计、公共建筑室内设计、工业建筑室内设计以及农业建筑室内设计四大类，前三类设计通常采用自然光和自然光混合人工光的方式设计室内光环境，后者通常采用人工光源的方式进行室内设计。但对室内植株培养的光源设计而言，既要保障室内的基本照明，又要确保植株能够吸收到生长所需的光。基于此，针对室内植株培养室光环境设计艺术进行分析，思考一种能够满足植株培养室所需光源的设计。

1 光环境设计艺术下室内设计的要素分析

1.1 室内设计中光环境的光源色温与显色性

1.1.1 光源色温。光元素是现阶段室内设计中的重要组成部分，设计师在营造良好的室内光环境时，需要以室内光源结构进行设计，并结合室内结构选择合适的光源色温进行艺术创造。自然光与室内装饰材料间的结合，随着光照强度与温度不断升高，其照射在装饰材料上的光颜色也会随着发生变化，比如，以黑色作为底色设计装饰材料，当太阳光以不同角度对其照射时，光源的光色与黑体产生的变换性光感即是黑体材料所得到的色温，这种设计能有效填补因太阳光照射强度过低导致的色温问题[1-3]。而在完全人工设计的光环境下，则无需考虑因光源变化而出现的光源色温问题。

1.1.2 光源显色性。光源显色性是室内设计中形成固定光感环境的重要因素之一。光源显色性主要指通过光照的方式使物体反射出不同颜色的性能，显色性越好的材料和颜色所呈现的光感效果就越好，就越能够得到设计之初的光环境。例如，机场、火车站以及展览馆等建筑，其对光源显色性的要求在于亮度的高低，因此这些地方的建筑多会采用大面积顶层和侧面采光的方式进行设计[4]。而一些农业试验性质的建筑，因试验性质的要求会对光源进行控制，因此在固定光源照射下其显色性会相对固定。例如，在农业实验探究不同颜色光源照射下对植物生长的影响中，便需要一直保持实验室内的光源显色性处于恒定[5]。

1.2 室内设计中自然光和人工光的应用效果

室内设计中光环境的艺术设计不论从二维还是三维的角度出发，光源基本都是由点、线、面等基础单位所构成的。在光环境的实际应用设计中，设计师一般会通过多种光源组合或者外部材料结构丰富光环境，使室内光环境无论自然光还是人工光都可以具有丰富与立体的效果[6]。从自然光源设计的角度出发：自然光可分为自然光源和人造光源两种实体形态。对人类而言，自然光源在所有光源中显得更为亲切与舒适，而过于强烈或异样的人工光源会让人产生不安情绪。而现代建筑下的玻璃窗、玻璃墙和玻璃门等透光性建筑材料，都能够更好地配合自然光与室内光环境相结合，让原本属于封闭的环境尽可能被自然光所包围。从人造光源设计的角度出发，人造光源具有种类丰富、色彩鲜艳与功能强大等特点，可以将其应用在各种室内设计下的光环境设计中[7]。人造光源与自然光相比，最大的意义在于人类可控制光，进而能够进行一些需要控制光源变化的光环境设计，例如制药、育苗以及各种荧光剂检测试验。自然光与人工光源在居住和工作建筑内的应用设计较常见，且设计艺术层次已有很大程度的发展与研究。因此，将重点分析人工光源在植株育苗实验室内的光环境设计，思考人工光源设计艺术对科技发展领域的应用。

2 室内育苗的光环境设计

2.1 研究意义

在植物育苗实验研究中，光照、降水以及温度等因素是可以直接影响植物走向的变量，因此为更好地进行植株育苗工作。现阶段，很多育苗研究已经转移到室内进行，在室内虽然温度与降水等因素可以得到控制，但试验仍会受自然光的影响。对此，本研究将针对实验室内育苗光环境设计艺术进行分析。

对于植物幼苗而言，红光（660nm）和蓝光（450nm）是植物进行光合作用所吸收的主要光，而730nm 的远红光虽然对植物幼苗的生长影响较小，但仍需要对其进行控制。植物中上部分的叶绿素对红光区和蓝光区光源吸收量最大，而对远红光吸收量最小。因此，在育苗实验室中，其光环境的设计应呈阶段性分布，即上层光源应以红光区和蓝光区光源为主，下层红光区和蓝光区的光照波长应逐渐减弱。因此，本研究以上述3 种波长的LED 灯按照一定比例进行组合，并调节其强度和比例，以探究光环境设计对植物幼苗及生长过程的影响。

2.2 光源主体结构设计

以上述植物生长习性为基础，设计10 个LED 灯板。为防止光源产生温度影响实验环境，将使用铝材作为光环境层次设计的主体结构框架，框架的应力结构则采用钢材制造。以现阶段农产品杂交实验室通用的多层植物培养架标准设计LED 灯板的尺寸，因本实验选择的农作物为玉米和大豆，因此整个LED 光源板的宽为60cm，长为100cm；并将实验所涉及的其它设备隐藏到框架内部，避免其影响育苗光环境。

2.3 材料与方法

2.3.1 玉米套种大豆田间光环境测定。植株的种植方式按照我国西南地区玉米与大豆的栽培方法进行育苗，玉米于4 月上旬进行播种，种植密度为41000～44000 株/hm2，实验宽窄行间法进行隔离栽培，宽行行距设计为150cm，窄行行距设计为50cm。当玉米育苗生长到大喇叭口期时，即种植后约50～65d 时在玉米宽行内播种大豆。用AvaField-1 地物光谱仪测定宽窄行间下的光环境。

2.3.2 应用LED 光源模拟田间光环境。以上述方法制作2 个能够独立控制且相同的LED 光源发生器，并将其安装在光环境层次设计的框架上，根据AvaField-1地物光谱仪测定结果，利用控制器调节灯板上3 种颜色LED 灯的辐射强度。其中，一个光源需要模拟自然光照环境；而另一光源需要模拟植株在复合群体下荫蔽的光环境。设定2 个光源板上的LED 灯闪烁频率为500Hz，光环境周期为13h，无光照时间为11h。将大豆播种到高度和直径均在10cm 的器皿中。每天进行1 次浇水活动，使土壤基质的含水率能够保持在70%～75%，以7d为周期浇1 次1/2Horland 培养液。每盆3 株，分别置于2 种LED 灯光环境下进行培养，室内温度维持在25℃，空气湿度维持在70%，每个处理8 盆，重复3 次。随着植株的生长而不断调节其高度，使红光区和蓝光区形成的光环境能够始终与植株顶端距离保持在10cm，从而得到准确的人工光环境设计对植物生长影响的数据。

2.3.3 相关指标测定。应用AvaField-1 地物光谱仪测定植株生长光环境，主要包括LED 光源距植株10cm 处的光环境光谱组成、辐射强度以及均匀程度等。当2 种光环境下培养的植株生长到复叶全展时期，对植株的株高、茎粗、叶面积、鲜叶质量以及干质量等指标进行测定记录，并采用抗倒仪测定植株胚轴中部的抗折力。利用SPSS13.0 统计软件，以T 检验法分析检测数据的差异显著性。

2.4 测试结果

2.4.1 玉米套种大豆田间光环境。在人工模拟自然光下的田间实地测定结果表明，大豆植株在玉米遮阴的情况下所能接收到的有效光合辐射强度降至自然光的25.97%左右；因玉米植株对光谱中不同波段的吸收率存在一定差异，所以导致人工设计蓝光、红光和远红光组成的光环境存在透光率不同的问题，其中蓝光区与红光区的透光性与辐射强度不具有显著的透光差异，而远红光区的透光程度远高于蓝光区与红光区，但辐射强度却低于蓝光区和红光区的光线。因此，大豆植株所处阶层的光环境设计与自然光相比存在总有效光辐射降低而远红光比例增加的情况，人工光环境设计对植株生长的影响数据如图1，表1 所示。

图1 自然环境和玉米行间光谱对比

表1 自然光与玉米行在两种人工光环境下的光照辐射强度比较（单位μ/m2/nm）

2.4.2 LED 光源模拟设计的田间光环境对植株生长的效果。根据上述玉米套作大豆田间的人工光环境设计参数，设定A 与B 2 个LED 光源的蓝、红和远红光的光强，测定2 个LED 光源下10cm 处的光环境，由地物光谱仪测定出的光谱图见图2。结果表明，所研究的人工LED 光源光环境设计可以很好地模拟田间下的自然光环境。

图2 LED 光源模拟田间光环境效果图

因植株育苗培育实验下的作物分子及生理机制研究需要保障植株生长具有一致性，因此设计具有范围性与相对均匀性的光环境对于实验显得尤为重要。为分析光源板下人工设计波长的均匀程度，将在光源板上2 个斜对角处取11 个间距均为10cm 的点，测定450nm、660nm 以及730nm 的3 个波段辐射强度，重复5 次，测定数据结果如图3 所示。

图3 LED 光源对角线上不同点的光谱组成

由图2～3 数据可知，在各个监测波段下，除起始监测点的辐射强度相对较弱外，其余9 个点的光环境辐射强度变化幅度均相对较小，证明人工设计由3 个波段组成的光环境在培养架区域内分布均匀。

2.4.3 不同LED 人工光源下大豆植株的生长情况。由表2 中记录数据可知，在应用3 种不同波长的LED 灯模拟植株田间套作荫蔽光环境下，大豆植株的株高、叶面积以及茎干重等指标数据均有明显增加，而植株的叶干质量、根干质量、比叶质量、根冠比以及叶片SPAD 值等数据却出现显著降低，因此大豆植株将表现出体态纤细与光合能力下降等问题，这种头重脚轻的植株会面临茎秆强度下降和易倒伏等问题，而这是植物在荫蔽光环境下出现的典型避荫性反应，证明本研究的人工光环境与自然光环境产生的效果相同。

表2 LED 光源模拟间作荫蔽光环境对大豆植株生长的影响

3 结语

因现阶段已有很多针对人类居住与工作建筑的室内光环境设计研究，而缺少针对科研领域与特殊人工光环境设计的分析与思考，对此的分析对象为小领域农业研究实验室光环境设计。通过分析人工LED 光源设计对玉米与大豆荫蔽种植的影响，并与自然光环境进行对比，探究出人工光环境设计的艺术层次。