基于植物生物节律的园林照明研究——以窄叶石楠为例

摘要

近些年来中国各城市广泛开展城市夜景照明建设，园林植物是城市构成元素的重要组成部分，对园林植物进行夜景照明是城市为塑造夜间景观普遍采用的一种方式。园林植物夜景使用人工光照，人工光的光谱能量分布、光照强度及对植物光照的时间等都与日光不同。对于植物，光环境发生改变，直接体现在植物的光合速率上，长期积累后，植物生长形态等方面将会发生变化。目前，未见有人工照明影响植物生物节律方面的系统性研究报导，也缺乏园林植物照明的相关技术标准。对园林植物进行照明是城市夜景塑造中的普遍现象，人为的增加植物光照，无疑将破坏植物生物节律。研究人工光照对植物生物节律的影响，将夜景照明对植物生物节律的破坏降到最低，是园林照明中亟待解决的问题。
　　本研究对我国部分地区园林植物照明进行了较长时间的跟踪观测，掌握了人工光照影响植物生物节律的基本表象特征。观测内容包括：植物类型、植物长势、照明常用人工光源的光照强度、光源光谱能量分布及光照时间等。通过拍照、仪器测量、取样等，掌握了园林植物人工光照的基本情况，为实验研究奠定了基础。
　　对人工光照与植物生物节律的实验及理论进行综合研究，选取窄叶石楠作为研究对象，根据光合-光响应直角双曲线修正公式，推导出人工光照下窄叶石楠光合光响应曲线修正值系数；根据光的波粒二象性原理进行换算，得出植物光合有效辐射值与光照度值、光量子与光照度值之间的函数关系；确定了窄叶石楠生物节律实验田实验的人工光照强度范围。
　　植物叶片是植物接受光照的主要对象。人工光源不同于日光，不当的人工光源会对植物的生长造成较大的影响。本实验选取16株均高1.5米左右的同龄窄叶石楠植物为样本。窄叶石楠(Photinia stenophylla Hand.-Mazz.)为石楠属常见品种，是园林景观中的常见植物，其叶片具有彩叶特点，但又不同于红叶石楠叶片的颜色易变性，能保证实验过程中叶片生化指标的稳定性。
　　实验选用5种不同光色的LED光源和3个不同照度强度，进行为期6个月的光照窄叶石楠实验。实验中，监测窄叶石楠叶片的叶绿素含量、叶片形态变化规律及叶芽数量等，且利用Li-6400光合仪测量样本植物受人工光照前后的光合指标，对实验数据进行非线性回归分析，建立人工光照下窄叶石楠净光合速率与光照强度的关系模型；利用直角双曲线修正公式结合实测数据，得出光谱能量分布对窄叶石楠生物节律的影响程度。通过分析研究，发现了人工光照与窄叶石楠植物生物节律各参数的影响关系。
　　根据以上研究，利用计算机数据仓库及数据挖掘理论技术，对LED光源光谱能量分布、光照强度、窄叶石楠光合-光响应曲线、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、植物叶片色彩、植物叶片面积、周长、叶长、叶宽、形态指数、叶芽数量等数据进行统一分析处理，确定了增加人工光照后窄叶石楠各生理指标之间关系。
　　本研究成果对园林植物照明具有重要的理论与实践意义，为我国园林植物照明提供了基础参考数据和科学的研究方法；为园林植物照明光源的选择和植物分类照明设计评价提供了依据，也为我国制定园林植物照明标准规范提供了科学的基础技术参数。
　　本文的主要创新点：
　　（1）首次根据植物生物节律进行园林植物照明研究，利用环境光学理论与生物实验相结合的方法，得出基于窄叶石楠生物节律的园林植物照明参数。
　　（2）研究人工光照影响窄叶石楠叶片形态指标的变化，通过分析找到人工光照对窄叶石楠叶片形态影响的规律。
　　（3）研究不同光谱能量、光照强度下窄叶石楠光合光响应曲线的变化规律，建立了不同光谱光照下窄叶石楠的光响应曲线模型。
　　（4）采用数据仓库及数据挖掘的计算机方法分析人工光照影响窄叶石楠实验数据，得出各实验数据间相互影响的内在关系及各项生长指标间的联系，为多种园林植物照明实验及应用提供了数据存储与提取基础条件，具有很强的实用性。

目录

1 绪 论

1.1 论文研究背景、研究意义及技术路线

1.2 国外研究现状及发展动态分析

1.3 国内研究现状及发展动态分析

1.4 论文研究内容

1.5 论文的研究方法

1.6 论文拟解决的关键问题

1.7 论文的创新之处

2 人工光照与植物生物节律的调查研究

2.1 调研目标、地点及仪器

2.2 调研方法与数据

2.3 园林植物照明现状调研数据与分析

2.4 本章小结

3 人工光照与植物生物节律关系的理论研究

3.1 光照与植物叶片指标变化的理论研究

3.2 光照与植物生物节律的理论研究

3.3 园林植物照明光响应曲线修正系数

3.4 本章小结

4 人工光照与窄叶石楠叶片指标的实验研究

4.1 实验设计

4.2 窄叶石楠叶片测量

4.3 窄叶石楠叶片指标测量数据及分析

4.4 人工光照影响窄叶石楠叶片指标的分析

4.5 人工光照影响窄叶石楠叶片形态讨论

4.6 本章小结

5 人工光照与窄叶石楠光合节律实验研究

5.1 窄叶石楠人工光照实验方法及设备

5.2 测量数据与分析

5.3 人工光照下窄叶石楠生物节律模型研究

5.4 人工光照影响窄叶石楠生物节律讨论

5.5 本章小结

6 人工光照影响植物生物节律的计算机分析

6.1 计算机技术应用于园林植物照明研究的必要性

6.2 数据仓库及数据挖掘在园林植物照明中的结构设计

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.园林植物照明跟踪观测表

B.园林照明一般性调研数据表

C.窄叶石楠光合指标量表

D.窄叶石楠形态指标量表

E.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

F.作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

G.作者在攻读博士学位期间获奖情况