园林照明对窄叶石楠光合指标的影响
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  同济大学学报(自然科学版)  2018, Vol. 46 Issue (7): 951-955.  DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2018.07.013
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引用本文  

段然, 杨春宇, 苏加福. 园林照明对窄叶石楠光合指标的影响[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2018, 46(7): 951-955. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2017.05.002.
DUAN Ran, YANG Chunyu, SU Jiafu. Effect of Landscape Lighting on Photosynthetic Indices of Photinia Serrulata[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2018, 46(7): 951-955. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2018.07.013.

基金项目

国家自然科学基金(51478060)

第一作者

段然(1986—),女,工学博士,讲师,主要研究方向为建筑光学.E-mail : dr_optics@163.com

文章历史

收稿日期:2016-11-30
园林照明对窄叶石楠光合指标的影响
段然1,2, 杨春宇2, 苏加福3    
1. 重庆工商大学 艺术学院,重庆 400067;
2. 重庆大学 建筑城规学院,重庆 400030;
3. 重庆工商大学 国家智能制造服务国际科技合作基地,重庆 400067
摘要:为得出园林照明对园林植物光合指标的影响,对园林植物窄叶石楠(Photiniaserrulata)进行5种不同光谱的发光二极管(LED)照射,每种光谱设置3级光照强度,并测量植物净光合速率及植物光合有效辐射.结果表明:相同光照强度,天然光照下植物的光合有效辐射最高;人工光源照射下,窄叶石楠净光合速率随光照强度升高而升高;绿光LED(530 nm)照射,植物的光合有效辐射随光照强度增高,但净光合速率始终为负.
关键词照明    发光二极管(LED)    光谱能量分布    光照强度    
Effect of Landscape Lighting on Photosynthetic Indices of Photinia Serrulata
DUAN Ran1,2, YANG Chunyu2, SU Jiafu3     
1. Faculty of Arts, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China;
2. School of architecture and urban planning, Chongqing University, Chongqing 4000030, China;
3. Chonqing Key Lab of Electronic Commerce & Supply Chain System, Chongqing Technology and Business University, Chonqing 400067, China
Abstract: To clarify the impacts of artificial light spectrum and illumination intensity on the photosynthetic indices of landscaping plants, spectral irradiation experiments were conducted on Photinia serrulata at three light intensities with five different light emitting diode(LED) light emitting cliode. Analysis of the relationship of artificial light spectrum, light intensity, the net photosynthetic rate and photosynthetic active radiation. Results showed that: At the same light intensity, photosynthetically active radiation of plant was the highest under sunlight, which was far higher than that under the LED light sources. Under LED lights, net photosynthetic rate of Photinia serrulata rose with enhancing light intensity. Under green LED light (530 nm), photosynthetically active radiation of plant increased with enhancing light intensity. However, net photosynthetic rate remained negative all along.
Key words: lighting    light emitting diode (LED)    spectral energy distribution    light intensity    

中国广泛开展园林夜景照明,由于缺乏园林植物照明技术标准,滥用光源照射植物的现象较为普遍.园林植物照明是以人眼视看为基础的照明,不同于植物照明的研究.园林植物照明不能单纯的从光合有效辐射、光量子方面进行研究,应该结合人眼视看的光照强度进行研究.光照与植物光合作用有着密切的关系[1],人工光源与天然光不同,光源光照强度、光谱能量分布及光照时间都会影响植物的光合指标[2].园林植物照明的研究中,由于光照周期对植物光合指标的影响不大[3],所以园林植物照明中光源光谱能量分布及光照强度对植物光合指标影响的研究尤为重要.

1 光照与植物光合作用的理论

光谱参与植物的生理生化过程[4-6],更是激发植物生长的讯号[7].对植物生长最有效的光谱能量分布在400~700 nm之间[8].植物的光合速率[9]、形态建成等[10]受红光的干扰较大;植物叶片状态、碳水化合物合成等[11]受蓝光的干扰较大.高光照强度会影响植物的光合速率,植物产生光抑制现象,严重干扰植物的生长[12];低光照强度时,植物为降低自身对光能的需求,呼吸速率和光补偿点也会随之降低[13].

植物用来进行光合作用的辐射光能叫做光合有效辐射(PAR),是影响植物光合作用的重要物理参量.光合有效辐射量子表达式为

$ {Q_{{\rm{par}}}} = \frac{1}{{{A_V}hc}}\int_{{\lambda _1}}^{{\lambda _0}} {\lambda E\left( \lambda \right){\rm{d}}\lambda } $

其中:Qpar为光合有效辐射量子能量,能够反映出植物在进行光合作用时量子参与的特性[14]h为普朗克常数,6.625 5×10-34J·s;c为真空光速,2.997 8×108m·s-1Av为Avogadro常数,取值6.02×1023mol-1λ为光谱能量波长,nm; λ0为400 nm,λ1为700 nm.根据公式,在相同光谱下,可进行人眼视看光照强度与光量子间的转化.

植物叶片的净光合速率(PN)记为vpn,为单位面积叶片在单位时间内有机物的积累.在园林照明中植物净光合速率(PN)是鉴定植物光合作用的重要检测指标[15].PN大于零,表示植物进行有机物积累;夜间植物休息,PN小于零,表示植物不进行有机物的积累.植物夜间受人工光照净光和速率提高,进行有机物的积累,严重干扰了植物的生长.

本实验选取5种园林植物照明常用发光二极管(light emitting diode, LED)光源光谱且每种光谱设置3个等级的光照强度进行光照实验;利用照度计、Li-6400便携式光合仪同时测量园林植物在天然光下及夜间LED光源照射下的PN及PAR;得出LED照明与园林植物窄叶石楠光合作用的关系.

2 研究方法 2.1 实验地点

实验地点位于重庆市西部,年平均温度18.4℃,年降雨量1 125.3 mm,年平均日照时数888.5~1 539 h(重庆市气候中心2017年报告).为了控制环境因素对研究对象的干扰,实验开展于重庆大学实验田,并检测控制实验田物理环境因素,确保人工光照为影响实验的单一变量.

2.2 实验处理

窄叶石楠(Photiniaserrulata),蔷薇科、石楠属木本植物,具有四季常青等特点,是园林植物照明中常用的园林植物载体.实验选择苗龄、长势均相同的同批次窄叶石楠进行实验.

5种LED光源光谱分别为白光LED,黄光LED,紫光LED(主波长425nm),绿光LED(主波长530 nm),红光LED(主波长620 nm).每种光谱设置的光照强度为1 000、1 500、2 000 Lx,并设1组参照组仅受天然光照射不进行人工光照射,即,共16组实验,每组照射3株植物,所有植物均生长于标准的花园土壤.按市政园林植物照明时间对植物进行照明,时间为6:30 pm~10:00 pm.照明时利用遮光板遮挡于植物之间,使植物仅受实验光源照射,避免光源相互干扰(图 1),日间拆除挡板.

图 1 实验田园林植物光照处理 Fig.1 Lighting treatment of garden plants in the experimental field
2.3 实验测定

为确保实验测量的准确性,实验选择晴朗天气.日间测量,利用照度计监测天空照度并同时利用Li-6400便携式光合仪测量窄叶石楠的PN与PAR.夜间测量时,待照明光源开启稳定半小时后,利用Li-6400便携式光合仪对植物叶片进行测量,设置确定大气压力,选取植物冠层新发第3片健康植物叶片测量,每株窄叶石楠测量3片叶片,每片叶子测量5次,并标记叶片位置.

3 结果与讨论 3.1 天然光光谱与LED光源光谱能量分布

利用分光辐射照度计CL-500A(波长范围360~780 nm)对实验LED光源光谱能量进行测量(图 2).通过对比,得出随着光照强度增大,LED光源光谱能量峰值不断升高,甚至高于相同光照强度下相同波段天然光光谱能量;白光LED与黄光LED,波峰在460 nm附近,蓝光成分富含较多,且同时富含较高强度的红光(510~710 nm)成分.红光LED、绿光LED、紫光LED光谱能量分布范围较窄,与天然光光谱差距极大,波峰分别在620、530及425 nm处达到最高值.

图 2 天然光日光光谱与LED光源光谱能量分布图 Fig.2 Solar spectrum and LED spectral energy distribution
3.2 天然光光谱下窄叶石楠光合指标

利用照度计测量天空照度,同时利用Li-6400便携式光合仪测量天然光光谱下窄叶石楠PN和PAR.导出实验数据,在光照强度为1 000,1 500及2 000Lx时,窄叶石楠的PN分别为0.32、1.07 l,4.67 μmol·m-2·s-1;窄叶石楠的PAR为3、13、24 μmol·m-2·s-1.对数据进行统计,当光照强度高于900 Lx时,窄叶石楠PN由负转正;在2 000 Lx内窄叶石楠PN随光照强度的增强而增加(图 3).

图 3 植物净光合速率与天然光强度关系 Fig.3 Relationship between net photosynthetic rate and light intensity
3.3 人工光源光谱下植物光合指标

分别测量1 000、1 500及2 000Lx光照强度,5种人工光源光谱照射的植物PN与PAR(表 1~表 3),得出相同光照强度不同光谱能量分布与窄叶石楠光合指标PN、PAR的关系.

下载CSV 表 1 1 000Lx光强光谱下植物PAR与PN Tab.1 Plant PAR and PN under 1 000Lx light intensity spectrum
下载CSV 表 2 1 500Lx光强光谱下植物PAR与PN Tab.2 Plant PAR and PN under 1 500Lx light intensity spectrum
下载CSV 表 3 2 000Lx光强光谱下植物PAR与PN Tab.3 Plant PAR and PN under 2 000Lx light intensity spectrum

对PN进行分析,光照强度为1 000Lx时,红光、绿光、紫光照射植物PN为负;白光、黄光照射植物PN为正,但均低于天然光照射下的0.32.此时,白光、黄光照射的植物进行能量的积累,对植物生长造成一定的干扰.

光照强度为1 500Lx时,白光、黄光、红光、紫光照射植物的PN值均为正,仅绿光照射植物的PN仍为负;白光、红光照射植物PN甚至高于天然光照射的PN值1.07,对植物的干扰程度较大.

光照强度为2 000Lx时,植物的PN仍不断提高,白光、黄光、红光、紫光照射下植物的PN均为正,且紫光照射PN为5.4,高于天然光下4.67;此时,仅绿光LED照射的植物PN仍为负.

随着光照强度的升高,LED光源下窄叶石楠的PN不断提高,植物进行能量积累,对植物的生长造成一定的干扰,仅绿光LED照射下PN始终为负.

通过对PAR的分析,光照强度在1 000Lx时,白光、黄光、红光、紫光供给植物的PAR与天然光光谱相同,均为3,可知植物对绿光光谱利用率低于天然光;光照强度为1 500Lx时,植物对人工光源PAR提高不明显,且全部低于天然光下的PAR;2 000Lx光照强度时,人工光源照射下植物的PAR仍然低于日光照射下的PAR.随着光照强度升高,窄叶石楠PAR也逐渐升高,但始终低于日光下PAR,天然光可提供植物的PAR较高.

3.4 其他

不科学的园林植物照明干扰园林植物生长.本研究证实LED光源对窄叶石楠光合指标影响作用明显[16-17],与其他相关研究的结果相符[18-19],且补充了紫光、绿光对植物光合指标的研究结果[20-21].实验表明,在园林植物照明中LED光源影响植物夜间PN,且进一步证明了LED光源照射下窄叶石楠的PN随光照强度升高而升高;在相同光照强度不同光谱下植物PN变化规律不同.LED光源照射下植物的PAR始终低于其在天然光下的PAR.但实验仅对一种园林植物进行了光源照射实验,仅可作为窄叶石楠的照明技术参数.

4 结论

实验利用常见园林照明光源照射园林植物窄叶石楠,并利用生物学手段测量被照射植物的光合指标PN和PAR.,分析得到结论:

(1) LED光源照射下植物的PN随光照强度升高而升高.当光照强度逐渐升高后,白光、黄光、红光、紫光照射的植物PN会出现高于天然光照射的情况,证明园林植物照明对植物的生长造成一定的影响;

(2) LED光源照射的植物PAR始终低于天然光,证明植物对天然光光谱的利用率最高;

(3) 绿光下植物的PN也随光照强度升高而升高,但始终为负,PAR始终低于天然光下.绿光不易被植物所吸收,对植物生长的干扰较小.

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