王旭東

許 晶

徐 慧

沙 霖

王雪瑞

道路照明系統(tǒng)及道路綠化系統(tǒng)是城市道路環(huán)境中2個(gè)重要的組成部分，兩者之間既有密切聯(lián)系，又相互獨(dú)立。城市道路照明在保障道路行車安全、提升城市夜景品質(zhì)以及改善人居環(huán)境等方面起到關(guān)鍵作用。城市道路綠化在提供遮陰、隔聲降噪以及降溫增濕等提升交通環(huán)境舒適度、組織交通功能以及視覺(jué)景觀效果等方面發(fā)揮著多元化的功效。行道樹(shù)的空間配置與分布會(huì)對(duì)夜晚道路照明產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而阻礙了城市交通安全。然而，城市道路中的照明設(shè)施布置不合理，將會(huì)對(duì)行道樹(shù)的生理特性及生態(tài)效益造成不利影響，有時(shí)甚至對(duì)樹(shù)木造成傷害[1，2-5]。 如何協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系，使之效益得到最大限度的發(fā)揮成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。涉及道路照明系統(tǒng)與道路綠化系統(tǒng)兩者的相關(guān)研究主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。第一，樹(shù)木對(duì)照明設(shè)施的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)照明燈光的遮蔽。其中，具有代表性的研究有，盧茜[6]以行道樹(shù)國(guó)槐為研究對(duì)象，研究不同季節(jié)(春夏兩季)行道樹(shù)對(duì)道路LED照明效果的影響程度，并采用一系列指標(biāo)對(duì)照明效果進(jìn)行比較分析。第二，道路照明設(shè)施對(duì)樹(shù)木的影響，主要體現(xiàn)在人工照明對(duì)樹(shù)木生理特性的影響。具有代表性的研究有，范春楠[7]以杏樹(shù)為研究對(duì)象，探索了HPS路燈照射以及LED路燈照射分別對(duì)杏樹(shù)生長(zhǎng)及光合的影響；陳芳與彭少麟[1]以6種灌木為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，比較分析了在對(duì)照和夜晚光處理?xiàng)l件下的植物生長(zhǎng)特性、生物量分配、葉片形態(tài)和葉綠體超微結(jié)構(gòu)等，提出了對(duì)光敏感性高的灌木應(yīng)該盡量避免種植在高強(qiáng)度光照的環(huán)境中。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了解城市道路光照對(duì)行道樹(shù)生長(zhǎng)的影響以及城市行道樹(shù)的管理提供了一個(gè)重要的參考，奠定了城市道路照明設(shè)計(jì)與綠化設(shè)計(jì)綜合性研究的基礎(chǔ)。

盡管已有部分學(xué)者分別對(duì)道路照明與行道樹(shù)2個(gè)方面進(jìn)行了研究與總結(jié)，但是，該領(lǐng)域的研究尚處于探索性階段，特別是針對(duì)兩者之間關(guān)系以及不同照明類型與不同行道樹(shù)類型之間比較等方面就顯得更為欠缺。因此，本文以鄭州市最主要的行道樹(shù)二球懸鈴木為研究對(duì)象，探索道路照明與行道樹(shù)兩者之間的相互關(guān)系及影響，開(kāi)展該方面的研究不僅有利于摸清行道樹(shù)對(duì)道路照明環(huán)境的影響，為城市道路照明的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出參考，同時(shí)也有利于強(qiáng)化道路照明對(duì)行道樹(shù)生理生態(tài)過(guò)程的認(rèn)知，為城市行道樹(shù)配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 調(diào)研區(qū)域及對(duì)象

二球懸鈴木，城市重要的綠化樹(shù)種之一，我國(guó)引種栽培已有100多年歷史，由于最早栽種在上海法租界而得名，在我國(guó)黃河以南和長(zhǎng)江流域生長(zhǎng)最好[8]。懸鈴木素有“行道樹(shù)之王”之稱，同時(shí)也是鄭州市的市樹(shù)。所調(diào)查的道路有2條，分別是觀測(cè)點(diǎn)中興南路(金水東路段)與華北水利水電大學(xué)主干路，路面材料均為瀝青路面，2條道路上的行道樹(shù)均為二球懸鈴木。中興南路的照明燈具類型為高壓鈉燈，華北水利水電大學(xué)主干路的照明燈具類型為L(zhǎng)ED燈，道路周邊基本上沒(méi)有其他環(huán)境光的干擾。調(diào)研時(shí)間為2018年6月底7月初，20：00—次日10：00(圖1)。具體調(diào)研區(qū)域及對(duì)象如表1所示。

1.2 研究與分析方法

第一，照度測(cè)量。照度用于指示物體表面被照明程度的強(qiáng)弱，是衡量道路照明效果的基本指標(biāo)。不同樹(shù)種的冠層結(jié)構(gòu)及枝葉分布直接影響路面局部的照度值。由于所研究對(duì)象人工照明光源均位于樹(shù)冠上部，為了更好地梳理人工照明在不同冠層部位的分布與強(qiáng)度以及對(duì)樹(shù)冠的影響范圍，將樹(shù)冠進(jìn)行平均等分，劃分為樹(shù)冠上部、中部與下部三部分，利用照度計(jì)分別對(duì)冠層上部、中部、下部以及落地照度(燈頭照射方面垂直落地區(qū)域)進(jìn)行垂直豎向測(cè)定，每個(gè)部位以垂直點(diǎn)為中心，半徑1m范圍內(nèi)，測(cè)定6～8次，為該部位的照度閾值范圍。第二，行道樹(shù)光合特性測(cè)定。受觀測(cè)儀器數(shù)量和調(diào)查人員的限制，中興路(HPS燈)和華北水利水電大學(xué)(LED燈/高壓鈉燈)的二球懸鈴木樣本光合參數(shù)測(cè)定未能實(shí)現(xiàn)同時(shí)段進(jìn)行，而是分別在20：00與22：00展開(kāi)。具體取各觀測(cè)點(diǎn)路燈照射下行道樹(shù)二球懸鈴木各3株，每株樣本測(cè)定3次，測(cè)定部位分別為冠上、冠中、冠下部位，利用Li-6400xt型光合測(cè)定儀對(duì)夜晚路燈照射情況下行道樹(shù)的光合特性的變化。第三，行道樹(shù)葉綠素的測(cè)定。分別采集不同路段樣本樹(shù)冠上、中、下 部位的葉片各3片，同一冠層部位葉片制混合樣品，采回的樣品經(jīng)研磨和丙酮浸提后利用紫外分光光度計(jì)測(cè)得吸光度，計(jì)算葉綠素總含量。

圖1 道路照明及行道樹(shù)調(diào)研與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

所調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算采用Excel 2010軟件；圖形繪制與統(tǒng)計(jì)分析分別在Origin 8.0和SPSS 19.0進(jìn)行。

2 調(diào)研結(jié)果與分析

2.1 行道樹(shù)對(duì)道路照明光線遮蔽的影響分析

行道樹(shù)的空間結(jié)構(gòu)與分布不合理會(huì)對(duì)夜晚道路照明產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而阻礙了城市交通安全。通過(guò)對(duì)以上2條路線的夜晚光環(huán)境進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果表明，中興南路(高壓鈉燈照射)無(wú)行道樹(shù)二球懸鈴木遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間為32～35lx，有行道樹(shù)二球懸鈴木遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間僅為1～2lx。華北水利水電大學(xué)(LED燈)無(wú)行道樹(shù)遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間為15～20lx，有行道樹(shù)遮蔽的區(qū)域落地照度區(qū)間僅為0.2～1lx。行道路遮蔽區(qū)域的燈光照度遠(yuǎn)低于《城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 45—2015)》中規(guī)定次干道路面照度15～20lx的規(guī)范要求。中興南路(高壓鈉燈照射)行道樹(shù)的冠上(距燈頭約1m)、冠中、冠下以及落地平均照度范圍分別為5 000以上、500～1 000、30～300和1～2lx。華北水利水電大學(xué)(LED燈)行道樹(shù)的冠上、冠中、冠下以及落地平均照度分別為5 500以上、500～700、70～280和0.2～1lx。由此可見(jiàn)，二球懸鈴木樹(shù)冠對(duì)路燈進(jìn)行了大幅度的遮蔽，甚至是完全遮擋燈頭，嚴(yán)重阻擋和遮蔽了路燈光線的直射及折射，從而使得落地照度大打折扣，對(duì)道路夜晚行車環(huán)境造成了非常不利的影響。此外，行道樹(shù)對(duì)道路照明的影響區(qū)域還取決于樹(shù)木冠幅的大小。道路照明從樹(shù)冠上部投射到樹(shù)冠后，在道路路面上投下不規(guī)則的黑色樹(shù)冠投影邊界區(qū)域，測(cè)量中該區(qū)域的照度值均在5lx以下。調(diào)研過(guò)程中，選取以照度測(cè)點(diǎn)為中心的3個(gè)區(qū)域(以道路中線至人行道的橫向?qū)挾?，沿道路縱向延伸10m)，估算該范圍內(nèi)路面上黑色樹(shù)冠投影區(qū)域的面積占該區(qū)域的百分比。結(jié)果顯示，所調(diào)查道路燈下樹(shù)冠所形成的樹(shù)冠投影遮光區(qū)域平均在50%以上，對(duì)道路行車安全產(chǎn)生了潛在威脅。

2.2 道路照明對(duì)行道樹(shù)冠層結(jié)構(gòu)及光合生理特性的影響分析

2.2.1 道路照明對(duì)行道樹(shù)冠層結(jié)構(gòu)與形態(tài)的影響

冠層是植物群落進(jìn)行生理活動(dòng)的重要場(chǎng)所，也是體現(xiàn)樹(shù)木生長(zhǎng)活力與生態(tài)效益的重要媒介。然而，道路照明會(huì)對(duì)冠層結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)育及變化產(chǎn)生重要的影響，最直接的影響就是可能導(dǎo)致偏冠，這方面已有一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，因?yàn)橐归g照明可延長(zhǎng)植物的光合時(shí)間，促進(jìn)園林樹(shù)木枝條的生長(zhǎng)，主要由不同類型植物對(duì)光的敏感度決定[7]。然而，在道路調(diào)研過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在高壓鈉燈直接接觸和照射的區(qū)域(0.5～1m)內(nèi)，樹(shù)冠出現(xiàn)了“空洞”(枝葉缺失)，原因是高壓鈉燈照明的同時(shí)，燈頭會(huì)產(chǎn)生局部高溫，進(jìn)而影響冠層內(nèi)部周邊的枝葉分布，導(dǎo)致樹(shù)木冠層內(nèi)部缺冠現(xiàn)象。

2.2.2 道路照明對(duì)行道樹(shù)光合特性的影響

調(diào)研結(jié)果表明，第一，由于夜間道路照明會(huì)啟動(dòng)樹(shù)木冠層局部的光合作用，影響了植物的夜晚休眠；第二，LED光源照射條件下二球懸鈴木的光合速率指標(biāo)均高于鈉燈照射，除了受光源光譜的差異影響所致以外，也可能與燈頭在冠層中空間分布有關(guān)。不同燈光照度強(qiáng)度條件下的各冠層部位光合速率如表2所示。由此可見(jiàn)，二球懸鈴木對(duì)于高壓鈉燈沒(méi)有LED光源敏感，在不同的照射梯度下，均沒(méi)有啟動(dòng)光合(以光合速率正值為依據(jù))，但由于燈頭高溫區(qū)域?qū)е轮θ~缺失，無(wú)法獲取離燈頭較近部位冠層部分的光合速率，還不能說(shuō)明該部位是否啟動(dòng)光合作用。二球懸鈴木在不同梯度LED光源照射條件下，不同冠層部位的光合速率隨著照度的削減而減弱，但總體上來(lái)講，光合速率均保持正值。此外，也表明了行道樹(shù)在連續(xù)且長(zhǎng)時(shí)間道路照明的影響下，改變了植物的晝夜節(jié)律和光周期，從而啟動(dòng)了植物的一些生理行為，致使夜間無(wú)法進(jìn)行正常休眠，甚至對(duì)植物產(chǎn)生較大的傷害，這一點(diǎn)已有學(xué)者證實(shí)[1，7]，強(qiáng)度為1μmol/(m2·s)的夜晚弱光處理下，足以達(dá)到進(jìn)一步損害光合器官所需的光強(qiáng)。

2.2.3 道路照明對(duì)葉綠素含量的影響

本調(diào)研結(jié)果表明，行道樹(shù)冠層部位葉綠素含量與光源的距離(強(qiáng)度)和類型有關(guān)。高壓鈉燈照射的行道樹(shù)葉綠素含量高于LED燈照射的葉綠素含量，這可能與光質(zhì)存在一定關(guān)聯(lián)。行道樹(shù)的葉綠素含量以靠近光源的最低，冠下光照強(qiáng)度較低，葉綠素含量相對(duì)較高(表2)。夜晚的長(zhǎng)期燈光照射，可能會(huì)導(dǎo)致樹(shù)木枝葉干燥缺水或過(guò)度生長(zhǎng)，伴隨著葉綠素含量及葉綠體結(jié)構(gòu)的改變，會(huì)呈現(xiàn)葉色變淡等一些不良性狀，影響樹(shù)木的觀賞價(jià)值。此外，夜晚照明造成冠層葉綠素分布不均，還有可能造成落葉的延緩，容易誘發(fā)枝葉的凍害。以上所誘發(fā)的不良后果已被諸多學(xué)者所證實(shí)[7，9-10]。

3 結(jié)語(yǔ)與討論

3.1 結(jié)語(yǔ)

基于道路照明與道路綠化相互影響的視角，探討了行道樹(shù)對(duì)照明效果的影響以及行道樹(shù)對(duì)道路照明的光合生理響應(yīng)。通過(guò)上述的調(diào)研結(jié)果與分析表明，城市道路照明與道路綠化兩者關(guān)系的不協(xié)調(diào)，會(huì)導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生相互不利的影響，影響兩者功能及效益的發(fā)揮。鑒于此，提出以下優(yōu)化調(diào)控策略與建議，旨在提升城市夜晚光環(huán)境質(zhì)量以及保護(hù)城市園林樹(shù)木及維系城市生態(tài)系統(tǒng)平衡，并為城市道路照明設(shè)計(jì)以及行道樹(shù)的配置提供了基礎(chǔ)支撐與參考。

表1 研究區(qū)域及對(duì)象概況

表2 不同光源類型及對(duì)應(yīng)光合生理指標(biāo)

3.2 討論

首先，針對(duì)行道樹(shù)對(duì)道路照明的影響。行道樹(shù)種類選擇的關(guān)鍵在于滿足遮陰功能，多以冠形碩大且圓滿為基本標(biāo)準(zhǔn)。燈具的選取多以滿足道路基礎(chǔ)照明的照度等照明標(biāo)準(zhǔn)確定。樹(shù)木規(guī)格與體量以及燈桿高度一旦在道路空間尺度上把握失衡或缺乏統(tǒng)籌部署，很容易造成兩者在空間上的重疊，進(jìn)而彼此相互影響其功能與效益的發(fā)揮。因此，可以依據(jù)道路尺度及燈具尺度及分布，對(duì)行道樹(shù)中的規(guī)格選擇、株行距設(shè)置以及空間分布進(jìn)行優(yōu)化；同時(shí)，也可以調(diào)整燈具高度及構(gòu)造(懸挑、仰角)與選型的方式，盡可能地避開(kāi)與樹(shù)冠的交接(圖2)。

例如，針對(duì)體量較小的行道樹(shù)，可將燈具調(diào)整至樹(shù)冠上方，針對(duì)體量碩大的行道樹(shù)，如文中討論的行道樹(shù)二球懸鈴木，其樹(shù)木體量碩大，對(duì)燈具很容易形成遮擋，此時(shí)可考慮降低燈頭高度或改變燈桿構(gòu)造及形態(tài)調(diào)整至樹(shù)冠下方以滿足照明規(guī)范需求，或者可依據(jù)照明的光譜范圍、強(qiáng)度與方向等參數(shù)，同時(shí)確定照明對(duì)植物的影響范圍及程度，可以通過(guò)配合搭建智能燈控系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)控。此外，本研究調(diào)研的時(shí)期在夏初，不同生長(zhǎng)發(fā)育階段與季節(jié)條件下的樹(shù)木冠層結(jié)構(gòu)變化對(duì)道路照明的影響也是不一樣的[6]，這也是下一步研究所要繼續(xù)完善的地方。

其次，針對(duì)道路照明對(duì)行道樹(shù)的影響。城市夜景照明系統(tǒng)布局不合理以及產(chǎn)生的光污染，不僅會(huì)對(duì)植物的生理生態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響[11]，甚至是對(duì)葉綠體等光合器官產(chǎn)生損傷[1]。本調(diào)研結(jié)果與分析也表明，夜間照明對(duì)樹(shù)木光合生理及冠層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定不利影響。以夜晚道路照明對(duì)光合作用啟動(dòng)的臨界值為參考依據(jù)，建議提出人工照明與行道樹(shù)之間的“安全照明距離”，作為協(xié)調(diào)樹(shù)木配置及照明設(shè)計(jì)之間空間關(guān)系的參考依據(jù)。所謂安全照明距離，就是尋找特定光源照射下不同類型樹(shù)種啟動(dòng)光合的臨界點(diǎn)，并以此為依據(jù)推算出照明設(shè)施與園林樹(shù)木之間的距離。例如，“評(píng)估人工照明對(duì)園林植物光合作用影響的光度學(xué)方法”專利中提到[12]，高壓鈉燈光照強(qiáng)度高于1 390lx，香樟啟動(dòng)光合作用，大于該距離處的照度都低于光補(bǔ)償點(diǎn)的對(duì)應(yīng)照度，即高壓鈉燈照射香樟?xí)r的安全距離。照度與距離的換算可根據(jù)燈具類型和強(qiáng)度進(jìn)行確定，圖3是在150W照明光源下實(shí)測(cè)得出的距離與照度的相互關(guān)系。由于不同植物類型對(duì)夜間燈光照明的敏感度即適應(yīng)性不同，在不同光源條件下的光合特性均表現(xiàn)不同，因此，不同類型行道樹(shù)啟動(dòng)光合的光照強(qiáng)度值也有所差異，故所需的安全距離也有所不同。因此，基于光合生理的行道樹(shù)與照明設(shè)施之間的安全距離估算也將是下一步要解決的問(wèn)題。

此外，本研究所開(kāi)展的調(diào)研只涉及樹(shù)木繁葉狀態(tài)下樹(shù)木的生理特性，城市道路照明對(duì)城市道路綠化的影響具有周期性與長(zhǎng)期性，對(duì)于樹(shù)木不同生長(zhǎng)階段的影響都是不一樣的，摸清夜晚照明對(duì)不同發(fā)育周期或節(jié)點(diǎn)的樹(shù)木影響機(jī)制仍需要長(zhǎng)時(shí)間的積累觀測(cè)與驗(yàn)證，還有道路夜晚照明對(duì)不同種類園林樹(shù)木的生理與生長(zhǎng)所造成的不同影響有所差異，仍有待進(jìn)一步全面且系統(tǒng)的研究。

圖2 照明燈具與行道樹(shù)之間的空間關(guān)系調(diào)控前后比較示意

圖3 不同梯度條件下照明距離與照度之間的換算(150W光源)

致謝：感謝鄭州市城市照明燈飾管理處李凱、李峰、朱新磊和王攀林在調(diào)研過(guò)程中給予的大力支持，感謝河南農(nóng)業(yè)大學(xué)張志勇、李紅萍和常毅洪所提供的光合實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與技術(shù)支持，感謝參與調(diào)研的華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院的研究生丁益博、郭凱凱，本科生彭煜、張海洋、韓巧、張寶慧、趙芬、韓星和吳文志。