杜達(dá)豐，王洪珍，王愛英

(1.天津大學(xué) 建筑學(xué)院;2.天津市市政設(shè)計研究院，天津 300000）

0 引言

LED作為一種新興照明光源，越來越廣泛應(yīng)用到城市夜景照明中。而城市主要植物綠化景觀是夜景照明光源的主要載體，照明光對植物生理作用的影響則成為我們需要考慮的重要問題。不同類型的植物對光的適應(yīng)性不同，夜晚照明光對植物的作用具有兩面性，具體來講包括光照強(qiáng)度、光質(zhì)和光照時間3個方面。光不僅是植物進(jìn)行光合作用的必要條件，同時也是植物晝夜周期、季節(jié)周期的信號。LED相比于傳統(tǒng)光源具有一定的優(yōu)勢，但是其對植物生理作用的影響還缺乏相關(guān)的論證。文章通過國外近年來的相關(guān)研究，分析光對植物生理作用機(jī)理，探討LED對植物生理作用的影響，提出促進(jìn)植物生理作用的相關(guān)策略。

1 光對植物生理影響的作用機(jī)理

光在植物的生長發(fā)育中起著非常重要的作用，光對植物生理作用的影響具體包括光照強(qiáng)度、光質(zhì)和光照時間3個方面。

1.1 光照強(qiáng)度對植物生理作用機(jī)理

光照強(qiáng)度高對植物生長發(fā)育具有促進(jìn)作用，具體來講有利于植物細(xì)胞的增大和分化，能夠促進(jìn)植物花芽的形成，提高植物的結(jié)實率。

但是不同類型的植物對光照強(qiáng)度適應(yīng)能力不同。

(1）對于陽性植物，在強(qiáng)光條件下才能正常生長發(fā)育(光補(bǔ)償點(diǎn)較高），而在蔭蔽和弱光條件下則會生長發(fā)育不良。如柳、楊、樺、槐等。

(2）對于陰性植物，在較弱光照條件下才能正常發(fā)育(光補(bǔ)償點(diǎn)較低），而在強(qiáng)光條件下則會阻礙生長發(fā)育。如人參、三七等。

(3）對于耐陰植物，在全日照條件下生長最好，但是又可以忍耐適度蔭蔽。如龜背竹、蘭花等。

1.2 光質(zhì)對植物生理作用機(jī)理

不同波長的光對植物生理起著不同的作用，在自然光中，到達(dá)地面的太陽輻射以紅外線的能量最多，約占50% ～70%;其次是可見光，約占30% ～46%;紫外線最少，只占0.1% ～4%。這三部分太陽輻射對植物生長發(fā)育有著不同的促進(jìn)作用(圖1）。

圖1 對植物有效光輻射的波長區(qū)域

(1）青藍(lán)紫光:抑制植物生長，促進(jìn)植物細(xì)胞分化，引起向光性敏感，促進(jìn)花青素的形成。

(2）紅光:有利于光合作用，特別是葉綠素a的形成。

1.3 光照時間對植物生理作用機(jī)理

光照時間對植物生理作用的影響主要指其晝夜光照時間周期性的變化對于植物產(chǎn)生的影響。

(1）光周期現(xiàn)象。指的是光照和黑夜交替長短的變化，對植物開花、結(jié)實、休眠和落葉有很大影響的現(xiàn)象。

(2）植物對日照的適應(yīng)類型。大多數(shù)植物的開花與日照的長短有關(guān)，晝夜周期中能誘導(dǎo)植物開花所需的最低或最高的極限日照長度稱為臨界日長。

長日照植物(long-day plants）是指在晝夜周期中日照長度等于或長于臨界日長時，能誘導(dǎo)開花或促進(jìn)開花的植物。如菠菜為13 h，天仙子為11.5 h。

短日照植物(short－day plants）是指在晝夜周期中日照長度等于或短于臨界日長時，能誘導(dǎo)開花或促進(jìn)開花的植物。如蒼耳為15.5 h，煙草為14 h，一品紅為 12.5 h。

日中性植物(day-neutral plants）是指開花對日照長短要求不嚴(yán)格，在自然條件下就能開花的植物。如番茄、黃瓜、辣椒、茄子等。

2 LED光源特征及其對植物補(bǔ)光作用

2.1 LED光源特征及優(yōu)勢

LED作為一種直接把電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)半導(dǎo)體器件，是極有競爭力的新型節(jié)能光源，有逐漸取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢。它之所以能得到業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注，在照明領(lǐng)域具有如此大的發(fā)展?jié)摿?，是因為同傳統(tǒng)光源相比，具有效率高、光線質(zhì)量高、光色純、能耗小、壽命長、可靠耐用、應(yīng)用靈活、綠色環(huán)保的特性。

2.2 LED對植物補(bǔ)光作用

目前照明光源對植物生長發(fā)育的促進(jìn)作用主要在對植物補(bǔ)光的領(lǐng)域，LED不僅具有自身的優(yōu)點(diǎn)，而且可根據(jù)植物所需來選擇特定波長進(jìn)行照射，具有針對性，實現(xiàn)補(bǔ)光環(huán)境的可調(diào)，較傳統(tǒng)人工光源具有明顯的優(yōu)勢。

(1）光效高。目前白光 LED的光效已達(dá)到120 lm/W，相比目前普遍采用的人工光源熒光燈，白光LED光效可以達(dá)到熒光燈的4倍。雖然目前應(yīng)用在植物生長補(bǔ)光上面的單色大功率LED的光效還不能達(dá)到白光LED如此高的光效，但是憑借其高效的生理效應(yīng)(表1）及LED技術(shù)快速迅猛的發(fā)展勢頭，LED已成為植物生長補(bǔ)光節(jié)能高效光源發(fā)展的一個重要趨勢。

表1 不同光源的功率轉(zhuǎn)換效率

(2）光譜域?qū)捳?。單色大功率LED發(fā)出的光為單色光，其光譜域?qū)捲凇?0 nm，目前單色大功率LED的波長峰值已覆蓋了紅外、紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色、紫色、紫外等光譜范圍。可以根據(jù)植物光合作用和光形態(tài)建成的光譜范圍來選擇相應(yīng)的波長峰值，從而提高植物對光能的吸收利用效率。這正是LED能夠應(yīng)用于植物生長補(bǔ)光領(lǐng)域最大的優(yōu)勢。

(3）環(huán)保。LED是半導(dǎo)體光源，不含汞、鉛等有害物質(zhì)，對自然環(huán)境友好。

(4）長壽命。大功率LED器件的理論壽命長達(dá)5萬小時以上(以70%的光通維持率作為判斷標(biāo)準(zhǔn)），遠(yuǎn)高于熒光燈等傳統(tǒng)植物補(bǔ)光人工光源?？梢杂行Ы档透鼡Q與維護(hù)成本。

(5）可調(diào)性。目前使用的傳統(tǒng)植物補(bǔ)光人工光源大部分都是復(fù)合光譜，其光質(zhì)比等光環(huán)境因素難以調(diào)節(jié)，無法滿足不同植物的需求。LED作為單色光光源，可以有效調(diào)節(jié)紅藍(lán)光質(zhì)比、紅外光質(zhì)比等一系列的光環(huán)境因素。同時LED本身的光照強(qiáng)度也具有很多調(diào)節(jié)方式，如PWM調(diào)光、DC0-10 V模擬信號調(diào)光等。根據(jù)不同植物的需求，可以自由調(diào)節(jié)光環(huán)境因素，形成最適宜植物生長發(fā)育的光環(huán)境。

(6）冷光源。由于選擇單色大功率LED，可以有效控制光譜中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜分布，從而能夠?qū)χ参镞M(jìn)行近距離照射又不會灼傷植物。

3 LED夜景照明可能對植物生理產(chǎn)生的影響

隨著LED在植物夜景照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，它對植物生長發(fā)育的影響也越來越大，主要體現(xiàn)在LED光源強(qiáng)度、LED不同光譜對植物可能產(chǎn)生的影響。

3.1 LED光源強(qiáng)度對植物生理作用的影響

3.1.1 對光合作用的潛在影響

光合作用分為光反應(yīng)(light reaction）和暗反應(yīng)(dark reaction）兩部分(圖2）。光反應(yīng)中發(fā)生水的光解、O2的釋放和ATP及還原輔酶Ⅱ(NADPH）的生成，暗反應(yīng)則是利用光反應(yīng)形成的ATP和NADPH將CO2還原為糖。光反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的類囊體膜中，需要光;暗反應(yīng)發(fā)生在葉綠體基質(zhì)中，不需要光。過強(qiáng)的夜間照明是否打破光合作用的節(jié)律，是否對暗反應(yīng)產(chǎn)生影響，目前尚未見到有關(guān)的研究和報道，但筆者認(rèn)為，過強(qiáng)和長時間的夜間照明對植物正常的光合作用有潛在的影響。

圖2 光反應(yīng)和暗反應(yīng)圖解

3.1.2 對陰性植物生長的影響

植物光合作用達(dá)到最大值時的光照強(qiáng)度，稱為該種植物的光飽和點(diǎn)，光合作用和呼吸作用相等時的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點(diǎn)(圖3）。陰性植物的光補(bǔ)償點(diǎn)較低，也就是說，這類植物在較弱光照條件下比在較強(qiáng)光照下生長更好，如城市綠化常見的一些蕨類植物、地被植物和一些陰性木本，長時間和過強(qiáng)的夜間照明會使這些陰性植物生長不良。

圖3 陽性植物(a）和陰性植物(b）的光補(bǔ)償點(diǎn)位置示意圖(CP=光補(bǔ)償點(diǎn)）

3.2 LED不同光譜對植物生理作用的影響

LED不同光譜對植物生理作用影響主要在植物開花周期和夜間照明與植物的生物節(jié)律關(guān)系兩個方面。

3.2.1 夜間照明對植物開花周期的影響

植物對白日(光照）和黑夜(黑暗）時間長短的反應(yīng)非常靈敏，黑暗期的小小改變，如只提供幾分鐘的人工照明，植物也能“測量”出來。因此，植物體內(nèi)存在著對光照有很高靈敏度的物質(zhì)或光檢分子，這種光檢分子已經(jīng)從植物葉片中分離出來，它是一種蛋白質(zhì)與色素相結(jié)合的物質(zhì)，稱為光敏色素。

許多植物通過黑夜的長短來控制開花，亦受光敏色素所調(diào)控。光敏色素以兩種形式存在，分別為紅光吸收型Pr和遠(yuǎn)紅光吸收型Pfr，即Pr的吸收波峰位于660 nm的紅光區(qū)，Pfr的吸收波峰位于730 nm的遠(yuǎn)紅光區(qū)。光敏色素兩種形式的互相轉(zhuǎn)化正是植物“感知”白日或黑夜的機(jī)制。660 nm的紅光能有效地抑制短日植物開花，而誘導(dǎo)長日植物開花;人眼不能見到的遠(yuǎn)紅光(730 nm）則能誘導(dǎo)短日植物開花，抑制長日植物開花。因此，可根據(jù)不同光源所含紅光或紅外光的不同來調(diào)節(jié)植物開花周期，如果長時間、大量的夜間人工光照射，就會導(dǎo)致植物花芽的過早形成。

3.2.2 夜間照明對植物其他生物節(jié)律的影響

植物在白天利用陽光進(jìn)行光合作用，但是在夜間也需要休息。光周期的變化在調(diào)節(jié)植物種子萌發(fā)、幼苗生長、莖的伸長、子葉伸展，直至開花控制、休眠等都起著關(guān)鍵性的作用。

植物葉片通過測量黑夜的長短，能夠預(yù)測季節(jié)的變化，這也是觸發(fā)植物進(jìn)行落葉和冬眠的信號。樹木在夜間受強(qiáng)光照射，使休眠受到干擾，引起落葉形態(tài)的失常和冬芽的形成，如在人工照射下，樹木或灌木在秋天仍然會繼續(xù)生長，在進(jìn)入霜凍時節(jié)，樹葉里還會含有葉綠素，使其落葉期延遲。同時，過度照明的植物將會干燥缺水、過度生長，而且由于葉綠素的破壞，植物還將顯示出顏色變淡等其他不良的癥狀。當(dāng)然，樹木的休眠和冬芽的形成，除了燈光的作用外，還與營養(yǎng)、氣候、大氣污染及維護(hù)管理等方面有關(guān)。因此，光對不同種類植物的生長所造成的不同影響，有待進(jìn)一步的深入研究。

4 LED促進(jìn)植物生理作用的主要策略

(1）在選擇LED光源之前必須首先搞清楚特定植物需要光的光譜范圍和強(qiáng)度，針對植物敏感的光譜區(qū)域，調(diào)整光源輻射范圍和強(qiáng)度。

(2）在LED照明設(shè)計中，盡量使用截光型燈具，尤其是郊區(qū)、農(nóng)村的高速公路上的燈具裝置。由于沿途大都經(jīng)過莊稼地，夜間燈光通宵照明可能會影響附近農(nóng)作物的開花結(jié)果及其保護(hù)莊稼的益蟲等，因此，將固定的照明設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼谏w，將有溢散光的圓形燈具換成無溢散光的平底燈，使光投射到需要被照射的地方，并盡量遠(yuǎn)離可能受到燈具出射光線影響的動植物。

(3）為限制過度的強(qiáng)光對植物的影響，應(yīng)適當(dāng)降低LED光源和燈具的表面亮度?？山档蜔艟叩念~定功率，或在燈具上使用漫射玻璃、格柵、遮光板等以改變燈光出射的方向。

(4）控制LED燈具的啟閉時間，通過調(diào)光器或智能化控制系統(tǒng)，在使用頻率低的時段關(guān)閉部分或全部燈具。避免夜間燈光長時間甚至通夜照明對植物的影響，同時也可以節(jié)省大量的能源。

(5）加強(qiáng)夜景照明的節(jié)能措施，如選用高效的節(jié)能光源，使用高效能的節(jié)能燈具及高效能的調(diào)控設(shè)備，以確保綠色照明，防止光污染的產(chǎn)生，從而達(dá)到對生態(tài)環(huán)境和植物生長的保護(hù)。

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