CN104462747A - 评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于植物照明技术领域，具体为评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法。本发明通过光量子学、植物光度学以及光度学三大系统的转换，计算出植物的光补偿点和光饱和点的光合光子通量PPF对应的照度值，确定植物照明的照度参考范围，利用照度的光度学方法来评价人工照明对植物的影响；根据灯具的配光曲线计算出植物光补偿点和光饱和点等照度三维曲面，得到植物的安全照明距离和最小照明距离。本发明对于评估人工照明对园林植物光合作用的影响有重要参考价值；本发明推荐的安全照明距离和最小照明距离可用于指导植物工作者或照明设计师选择灯具、合理布灯，对于塑造绿色照明、提供和谐光环境有重要意义。

Description

评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法

技术领域

本发明属于植物照明技术领域，具体涉及评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法。

背景技术

LED的迅速发展为园林照明提供了广泛的发展前景。在园林照明中，一方面，植物工作者希望利用植物的光合作用，给植物提供除自然光外更多的人造光源来照明，以促进植物的生长，进行净生产。另一方面，照明设计师通过利用光影艺术，将植物的颜色、形态与人造光源的光色结合起来，使夜晚出行的人们赏心悦目；但夜晚大量人造光源的开启已影响到被照植物的休息，较高的光强已启动了植物的光合作用，有些光强过大的光源甚至已伤害到被照植物。

专利CN 203537608 U介绍了一种植物生长灯，电流调节电路分别连接红灯、蓝灯、紫外灯及白灯，通过电流调节电路控制红灯、蓝灯、紫外灯及白灯的亮度，使其混合后的灯光贴近日光，使植物的光合作用效率较高，从而促进植物生长。专利CN 202901994 U介绍了一种LED植物生长照明灯，通过LED灯泡直接发出配比好的光谱，所述光谱是红光和蓝光的混合光。上述关于促进植物生长方面的专利，均通过调节光谱来促进植物生长，并未涉及人工照明中光照度对植物光合作用影响的定量计算。而关于园林照明设计方面的专利目前比较缺乏，只有相关文献中包含园林照明设计的指导建议，也未涉及人工照明对植物光合作用影响的定量计算。因此，有必要提出一种评估人工照明对植物光合作用影响的光度学方法，准确评价当前园林照明用灯的合理性，从而给出有利于植物生长防止植物受到损伤的措施。

植物生长的关键因子就是光，没有光照，植物的生长发育、开花结果都无法完成。光对植物的影响一般分为光照强度、光质和光照时间三方面。其中光质就是光源的光谱。植物通过光合作用产生有机物，生长和发育。在光合作用中，植物对光照强度的要求有两个重要的点，即光补偿点和光饱和点。光补偿点是净光合速率为0的点，此时光合速率等于呼吸速率，光照强度超过该点之后，植物便开始生长、进行净生产。光饱和点是在光强达到某一值后，净光合最大时所对应的点。当光照强度达到光饱和点时，光合作用达到顶峰。当光照强度继续增强超过光饱和点时，光合作用开始下降，植物自身产生光抑制现象，损伤植物。

由于植物光合敏感曲线P(λ)和人眼视见函数V(λ)有很大不同，原来适用于人眼的光度学单位不再适用于植物照明。目前，植物照明涉及以下几种常见的参数。

光合光子通量(photosynthetic photon flux, PPF)，也称光量子密度，单位μmol m⁻² s⁻¹，表达式为：

, (1)

其中ν(λ)为光谱光合光子通量。考虑到ν(λ)和E _e(λ)的关系：

, (2)

其中E _e(λ)为光谱辐照度；n _A为阿伏加德罗常数；h为普朗克常数；c为真空中的光速。因此，PPF可表示为：

. (3)

与人眼的光度学对应的植物光度学，是基于植物光合敏感曲线P(λ)的。这里，植物光合辐照度E _P，单位W m⁻²，表达式为：

. (4)

那么，植物学中光量子学—植物光度学的转换系数K _PPF,P（μmol s⁻¹ W⁻¹）表达式为：

. (5)

已知PPF和E _P中的一个，就可以通过K _PPF,P算出另一个。

同理，为分析光源的光谱对人眼光度量和植物光合度量的贡献，光度辐射的光合效率K _P,v(W klm^–1)表达式为：

, (6)

从而根据K _P,v由人眼光度量可计算出植物光度量，或由植物光度量计算出人眼光度量。

由于现有的灯具参数仅涉及光度学单位，而植物照明常采用光合光子通量PPF做计量单位，这就使得植物工作者或照明设计师不能根据植物所需光照直接并合理地选择灯具。因此，给出PPF到光照度的转换关系有利于植物工作者或照明设计师合理使用灯具。而现有的转换关系并未考虑植物光合敏感曲线P(λ)的作用，因此，需要结合P(λ)，从植物光合作用出发，计算出植物光补偿点和光饱和点PPF所对应的照度值以确定照度参考范围，从而评估植物照明中灯具使用的合理性，并提出有益于植物照明用灯的建议。同时，考虑照度与被照距离的关系，需定量给出植物与人造光源的位置关系，用来指导植物工作者或照明设计师合理布灯。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够正确、合理地评估人工照明对园林植物光合作用影响的方法。

本发明提供的评估人工照明对园林植物光合作用影响的方法，通过光量子学、植物光度学以及光度学三大系统的转换，计算出植物光补偿点和光饱和点PPF对应的照度，得出人工照明的照度参考范围，并根据灯具的配光曲线计算出植物距离光源的安全照明距离和最小照明距离。也称为光度学方法，具体步骤如下：

（1）测定植物的光响应曲线，确定该植物的光补偿点和光饱和点的光合光子通量PPF；测量该测试系统所用光源的光谱功率分布，根据植物光合敏感曲线P(λ)计算得到光量子学—植物光度学的转换系数；

根据公式，

由植物光补偿点和光饱和点对应的PPF计算出相应的植物辐照度E _P；其中，n _A为阿伏加德罗常数，h为普朗克常数，c代表光速。

（2）根据照射植物的人造光源的光谱功率分布，计算光度辐射的光合效率： ；

利用，由得出的植物光合辐照度E _P计算出对应的光照度E _v；

其中，K _m为光谱光效率函数的最大值；V(λ)为光谱光效率函数，也称人眼视见函数。

（3）由所得光补偿点和光饱和点的照度值，利用灯具的配光曲线，得出光补偿点和光饱和点对应的等照度三维曲面，直观表示出人造光源会对所照植物光合作用产生影响的参考位置。

本发明中，所述植物光补偿点对应的等照度三维曲面，给出了灯具在用于植物照明时的安全照明距离，小于该距离处的照度超过了光补偿点的对应照度，则植物会产生光合作用。

本发明中，所述植物光饱和点对应的等照度三维曲面，给出了灯具在用于植物照明时的最小照明距离，小于该距离处的照度超过了光饱和点的对应照度，植物本身会产生光抑制现象，影响植物的健康生长。

要避免人造光源对植物产生影响时，光源与植物的距离必须大于安全照明距离；人造光源用于植物照明以促进植物生长时，光源与植物的距离必须小于安全照明距离，但要大于最小照明距离。

本发明提供的评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法， 定量地给出了有利于园林植物生长或防止园林植物受到伤害的照度范围和推荐距离，对于评估人工照明对园林植物光合作用的影响有重要参考价值；本发明推荐的安全照明距离和最小照明距离可用于指导植物工作者或照明设计师选择灯具、合理布灯，避免植物工作者或照明设计师凭自己主观经验随意用灯情况，对于塑造绿色照明、提供和谐光环境有重要意义。

附图说明

图1为香樟的光响应曲线示意图。

图2为LI-6400光合测定系统的LED红/蓝光源的相对光谱功率分布图。

图3为香樟的净光合速率与光合辐照度的关系曲线图。

图4为在高压钠灯照射下香樟的净光合速率与光照度的关系曲线图。

图5为光补偿点等照度面(1390 lx)正视图。

图6为光补偿点等照度面(1390 lx)俯视图。

图7为光饱和点等照度面(31980 lx)正视图。

图8为光饱和点等照度面(31980 lx)俯视图。

具体实施方式

以下结合附图以香樟树为例，通过一系列转换计算，得出高压钠灯照射香樟时的照度上限和等照度三维曲面，从而对本发明做进一步阐明。所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未做出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

其计算评估方法，包括以下步骤：

（1）采用LI-6400光合测定系统测出香樟的光响应曲线，参见图1。从曲线中得出，香樟的光补偿点PPF为20 μmol m⁻² s⁻¹，光饱和点PPF为460 μmol m⁻² s⁻¹。使用光谱照度计测量了LI-6400光合测定系统所用的LED红/蓝光源的相对光谱功率分布，参见图2。

（2）根据LED红/蓝光源的光谱和植物光合敏感曲线P(λ)，以1 nm为波长间隔，计算得到光量子学—植物光度学的转换系数K _PPF,P = 6.018 μmol s^{− 1} W^{− 1}，进而根据PPF和K _PPF,P算出香樟的光合辐照度E _P = PPF/K _PPF,P。E _P与净光合速率P _n的关系曲线参见图3，其中香樟的光补偿点和光饱和点对应的光合辐照度分别为3.32 W m^{− 2}和76.44 W m^{− 2}。

（3）根据高压钠灯的光谱数据和P(λ)、V(λ) ，得到高压钠灯的光度辐射光合效率K _P,v = 2.39 W klm^–1。由K _P,v和算出的光合辐照度E _P得到相应的光照度E _v，它与净光合速率P _n的关系曲线参见图4。香樟光补偿点和光饱和点对应的光照度E _v分别为1390 lx和31980 lx。

（4）由于照射在植物上的光照度与被照距离有关，根据高压钠灯灯具的配光曲线计算出植物光补偿点和光饱和点所对应的等照度三维曲面，得出高压钠灯灯具与香樟的安全照明距离和最小照明距离参考值。

因此，为保证高压钠灯对香樟树不产生影响，灯的照度应在1390 lx以下，才不会启动净光合。若高于1390 lx，香樟便开始光合作用，进行净生产，从而使香樟在夜晚不能正常休息。1390 lx即为高压钠灯照射香樟的照度参考上限。

根据香樟的光补偿点对应的等照度三维曲面，即高压钠灯照射香樟时的安全照明距离，大于该距离处的照度都低于光补偿点的对应照度，不会产生净光合；根据香樟的光饱和点对应的等照度三维曲面，即高压钠灯照射香樟时的最小照明距离，小于该距离处的照度都高于光饱和点的对应照度，光强过大会影响香樟的健康生长；在光补偿点对应的等照度三维曲面和光饱和点对应的等照度三维曲面之间的点均会产生净光合。因此，评估高压钠灯与香樟的位置关系时，可参考这两个曲面。同时，照明设计师在布置景观灯具时，也可参考这两个曲面，根据安全照明距离和最小照明距离合理放置灯具，使植物最好处于植物光补偿点等照度曲面之外。

本发明针对人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法，主要以计算人工照明照度参考范围以及植物安全照明距离和最小照明距离为目标，通过光量子学、植物光度学以及光度学三大系统的转换，计算出植物光补偿点和光饱和点PPF对应的照度值，作为植物照明照度参考上限；并利用灯具的配光曲线计算出植物光补偿点和光饱和点等照度三维曲面，得出植物与灯具的安全照明距离和最小照明距离，从而为照明设计师选择灯具和合理布灯提供参考。

Claims (3)

1. 评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法，其特征在于通过光量子学、植物光度学以及光度学三大系统的转换，计算出植物的光补偿点和光饱和点对应的照度，得出人工照明的照度参考范围，并根据灯具的配光曲线计算出植物距离光源的安全照明距离和最小照明距离。

2. 根据权利要求1所述的评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法，其特征在于具体步骤包括：

（1）测定植物的光响应曲线，确定该植物的光补偿点和光饱和点的光合光子通量PPF；测量该测试系统所用光源的光谱功率分布 ，根据植物光合敏感曲线P(λ)计算得到光量子学—植物光度学的转换系数；

则根据公式，

由植物光补偿点和光饱和点对应的PPF计算出相应的植物辐照度E _P；其中，n _A为阿伏加德罗常数，h为普朗克常数，c代表真空中的光速；

（2）根据照射植物的人造光源的光谱功率分布，计算光度辐射的光合效率：；

利用，

由植物光合辐照度E _P计算出对应的光照度E _v；

其中，K _m为光谱光效率函数的最大值；V(λ)为光谱光效率函数，也称人眼视见函数；

（3）由所得光补偿点和光饱和点的照度值，利用灯具的配光曲线，得出光补偿点和光饱和点对应的等照度三维曲面，直观表示出人造光源对所照植物光合作用产生影响的参考位置，其中：

所述植物光补偿点对应的等照度三维曲面，给出了灯具在用于植物照明时的安全照明距离，小于该距离处的照度超过了光补偿点的对应照度，则植物会产生净光合；

所述植物光饱和点对应的等照度三维曲面，给出了灯具在用于植物照明时的最小照明距离，小于该距离处的照度超过了光饱和点的对应照度，植物本身会产生光抑制现象，影响植物的健康生长。

3. 根据权利要求2所述的评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法，其特征在于要避免人造光源对植物产生影响时，使人造光源与植物的距离大于安全照明距离；人造光源用于植物照明以促进植物生长时，使光源与植物的距离小于安全照明距离，但要大于最小照明距离。