城市不同遮陰環(huán)境下光強和光質(zhì)特征

于盈盈，胡 聃，王曉琳，李元征，韓風(fēng)森

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085

城市不同遮陰環(huán)境下光強和光質(zhì)特征

于盈盈，胡 聃*，王曉琳，李元征，韓風(fēng)森

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085

城市的發(fā)展伴隨著大量高層建筑的出現(xiàn)，城市建筑作為人工構(gòu)筑物，形成了與自然環(huán)境不同的人工遮陰環(huán)境，這種人工環(huán)境可能會對其下生長的植物產(chǎn)生一定的影響。為了研究人工建筑遮陰與自然遮陰環(huán)境之間的差異，北京市典型高層建筑遮陰和冠層遮陰光環(huán)境進行了測量，發(fā)現(xiàn)建筑和冠層顯著改變其遮陰微環(huán)境的光強和光質(zhì)。兩種遮陰下光合有效輻射分別為天空自然輻射的9.09%和5.50%，遮陰處的光合有效輻射均小于200μmol m-2s-1，低于多數(shù)城市植物的光飽和點。與天空自然輻射相比，建筑遮陰處藍光在光合有效輻射中所占比例(B/P)、藍光與紅光的比例(B/R)以及藍光與遠(yuǎn)紅光的比例(B/FR)升高，且高于冠層遮陰，紅光與遠(yuǎn)紅光的比例(R/FR)沒有顯著變化，而冠層遮陰下R/FR則低于天空自然輻射。建筑遮陰下光質(zhì)的改變可能會對植物的光合產(chǎn)生積極作用，并可能影響到植物的形態(tài)及生理反應(yīng)。窄波段和寬波段兩種不同積分方法對R/FR沒有顯著影響，采用寬波段積分得到的B/R低于窄波段，但降低幅度很小，在植物光合生理研究方面兩種積分方法可以通用。

城市光環(huán)境；建筑遮陰；光譜變化；城市植物

近些年，中國城市化高速發(fā)展，同時伴隨著各種高層建筑的大量增加。以北京市為例，到2003年年末累計建成高層建筑達1.3億m2[1]，其中，1949—2003年，共建成10層以上高層住宅約8600萬m2，約占同期高層建筑總面積的78%[2]。高層建筑的形狀和格局形成了獨特的近地面微環(huán)境特征，尤其是光環(huán)境的改變。這種光環(huán)境特征的改變對于生長在近地面空間的城市植物來說至關(guān)重要，光強的降低和光質(zhì)的改變可能影響植物的光合和光的形態(tài)建成[3-6]，并導(dǎo)致其能夠向人類提供的生態(tài)服務(wù)功能發(fā)生改變。

建筑遮陰使得進入城市近地面空間的短波輻射產(chǎn)生大量衰減，可降至到21%—95%的空地日照水平[7]，Hamerlynck[8]發(fā)現(xiàn)在新澤西州典型建筑遮陰環(huán)境下，光強可降至10—15 μmol m-2s-1之間，小于全光照的1.5%。此外，建筑遮陰下光質(zhì)也發(fā)生改變。Gaskin等[9]研究了建筑和林冠下的遮陰光譜，認(rèn)為相對于林冠遮陰，建筑過濾掉更少的藍光，林冠下紅藍光的比例與遮光布下沒有差異，但是這個結(jié)果和部分研究[10-11]相矛盾，通常認(rèn)為林冠下藍光要被冠層過濾掉更多。Bell等[12]針對單株喬木和獨棟建筑等不同類型的遮陰材料測量了其下遮陰光譜，發(fā)現(xiàn)建筑遮陰下紅光與遠(yuǎn)紅光的比例沒有顯著變化，但是藍光在波長400—800nm的短波輻射中所占的比例大于喬木遮陰下，其測量時沒有區(qū)分晴天與多云天。目前關(guān)于城市遮陰光環(huán)境的研究內(nèi)容相對分散，數(shù)量較少且缺乏系統(tǒng)細(xì)致的測量研究，部分結(jié)果存在差異。而目前城市建筑物的形狀、材料、布局等呈現(xiàn)多樣化的趨勢，這使得建筑物其對下光環(huán)境的影響更加復(fù)雜。因此，本研究選擇典型城市高層建筑和喬木群落冠層遮陰環(huán)境進行對比研究，分析城市不同遮陰環(huán)境下的光強和光質(zhì)變化特征，為研究城市環(huán)境對植物的影響、植物對城市環(huán)境的適應(yīng)機制、綠化設(shè)計以及城市規(guī)劃等提供參考依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 實驗地點及內(nèi)容

實驗地點位于北京市三至五環(huán)之間兩個高層住宅小區(qū)內(nèi)(40°00′25″—29″N，116°20′12″—22″E；39°58′02″—09″N，116°20′02″—10″E)，遮陰建筑為鋼筋混凝土高層建筑，樓高40m以上，建筑表面為灰色和暗紅色磨砂外墻磚，測量光斑的實驗小區(qū)玻璃為綠色低輻射鍍膜玻璃。遮陰喬木群落為行道樹白蠟，樹高約12 m，平均胸徑為17.6 cm。

實驗時間為2012年8月的晴天，城市遮陰共選擇3種類型：天空自然輻射(Sky)、建筑遮陰(Building shade)和冠層遮陰(Canopy shade)。建筑遮陰選擇高層建筑群中獨棟高層建筑的遮陰處，距離最近的其它建筑位于實驗建筑西向水平距離21.4 m，以及東北向水平距離61.4—72.5 m的高層建筑，高度不超過實驗建筑。日測量從6:00—19:00，每隔1小時測量1次，每種遮陰類型有9條全天曲線，126個測量值。

在10:00、14:30和17:00分別測量建筑遮陰中光斑的光強光質(zhì)變化特征，測量地點位于小區(qū)2(39°58′02″—09″N，116°20′02″—10″E)的高層建筑群中，光斑是由于建筑上玻璃反光引起的，在某一點持續(xù)時間以秒至分鐘計，因此測量了同一地點的遮陰處和光斑處的光環(huán)境以作對比，每個時點有6組重復(fù)。

測量儀器為便攜式光纖光譜儀(愛萬提斯Avantes, ULS2048XL, 荷蘭)。

1.2 參數(shù)選擇

光強和光質(zhì)各參數(shù)所用波段說明見表1，光強參數(shù)選擇對植物影響最大、植物生理研究常用的短波波段，即光合有效輻射(Photosynthetically active radiation，簡稱PAR，μmol m-2s-1)，波長范圍為400—700nm。

由于以往文獻對于紅光遠(yuǎn)紅光比例采用的波段范圍有所不同[11-12]，有采用光敏色素吸收峰(655—665)/(725—735)進行研究，也有采用寬波段(600—700)/(700—800)進行研究，因此本文對兩種常用的波段范圍均作了分析，藍光紅光比例亦然。

表1 光強和光質(zhì)參數(shù)選擇波段說明Table 1 Introduction of band used for parameters of light quantity and light quality

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

均值間比較采用單因素方差分析，LSD-t檢驗，通過SPSS 19.0實現(xiàn)。波段的積分使用matlab 8.0編程計算。本文中數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市不同遮陰環(huán)境下光強變化特征

不同遮陰環(huán)境的光合有效輻射(PAR)日曲線均呈單峰形(圖1)，天空自然輻射下6：00—19：00總光強為(11859.40±343.00) μmol m-2s-1，建筑遮陰和冠層遮陰分別只有天空的9.09%和5.50%。天空日最大光合有效輻射出現(xiàn)在12：00，為(1489.95±67.16) μmol m-2s-1，建筑遮陰和冠層遮陰日最大值分別只有(133.10±27.41) μmol m-2s-1和(88.08±19.25) μmol m-2s-1。建筑和冠層兩種遮陰環(huán)境的每時點光強均在200μmol m-2s-1以下(圖1)。

圖1 城市不同遮陰環(huán)境光合有效輻射日變化Fig.1 Changes in photosynthetically active radiation for different types of shade environments in urban areas

2.2 城市不同遮陰環(huán)境下光質(zhì)變化特征

2.2.1 不同光質(zhì)參數(shù)比例變化特征

藍光在光合有效輻射中所占的比例(B/P)在一天之中波動很小(圖2)，除19：00。傍晚藍光比例上升。3種光環(huán)境中B/P日均值在建筑遮陰下最高(表2)，在冠層遮陰下最低。B/P在上下午之間沒有顯著差異(P>0.05)。紅光比例(R/P)日均值最高為天空自然輻射，冠層下比建筑遮陰下高出0.024，天空下R/P在19：00下降(圖2)。因為遠(yuǎn)紅光波動相對其他波段更大，因此藍光遠(yuǎn)紅光比例(B/FR)日曲線相對B/P和R/P曲線波動更大(圖2)。天空下B/FR在19：00顯著高于其它時點，遮陰處則沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象。B/FR日均值順序分別為建筑遮陰>天空>冠層遮陰(表2)。

圖2 城市不同遮陰環(huán)境光質(zhì)參數(shù)日變化Fig.2 Changes in B/P、R/P、B/FR for different types of shade environments in urban areas

天空下藍光紅光比例(B/R)在19：00與B/P一樣有顯著上升，建筑遮陰和冠層遮陰下這種趨勢不明顯(圖3)。建筑遮陰下B/R顯著高于冠層遮陰和天空(表2)。天空下紅光遠(yuǎn)紅光比例(R/FR)在早晚降低(圖3)，冠層遮陰和建筑遮陰R/FR日曲線則呈現(xiàn)正午低于上下午的趨勢。

表2 城市不同遮陰環(huán)境光合有效輻射及光質(zhì)參數(shù)對比Table 2 Comparison of light intensity and light quality for different types of shade environments in urban areas

日總光強、日均光質(zhì)參數(shù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=9)，小寫字母表示不同類型遮陰環(huán)境間參數(shù)的比較，大寫字母表示參數(shù)在同一類型遮陰環(huán)境下不同波段積分之間的比較，不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2.2 不同波段積分結(jié)果對比

藍光紅光比例B/R和紅光遠(yuǎn)紅光比例R/FR日曲線變化趨勢沒有因為積分波段的不同而發(fā)生變化(圖3)。在3種不同的遮陰環(huán)境中，兩種不同波段積分得到的R/FR日均值均沒有顯著差異(表2)。但B/R則在3種遮陰環(huán)境中出現(xiàn)顯著差異，(400—500)/(600—700)波段積分得到的B/R要低于450/638的方法，差值在0.049—0.067之間。

圖3 城市不同遮陰環(huán)境下不同波段積分B/R和R/FR日變化Fig.3 Changes of B/R and R/FR for different levels of shade environments in urban areas

2.3 城市不同遮陰環(huán)境下光強與光質(zhì)的關(guān)系分析

在建筑遮陰和冠層遮陰下，紅光遠(yuǎn)紅光比例R/FR與入射PAR比例均呈極顯著的對數(shù)關(guān)系(圖4)，冠層遮陰下R/FR = 0.195ln(PARt/PARi) + 1.078，建筑遮陰下R/FR = 0.151ln(PARt/PARi) + 1.534，兩者P值均小于0.001。冠層遮陰下，藍光比例B/P與PAR呈顯著的對數(shù)關(guān)系，但建筑遮陰下，這種關(guān)系并不顯著。

圖4 城市不同遮陰環(huán)境下光強與光質(zhì)的關(guān)系Fig.4 Relationship of light intensity and light quality for different types of shade environments in urban areas入射光合有效輻射比例(PARt/PARi)指遮陰環(huán)境下PAR與天空自然環(huán)境下PAR之比

2.4 建筑遮陰下光斑特征分析

遮陰處和光斑處光強在3個不同時點均有顯著差異(表3)，光斑的光強要高出遮陰處213.01%—307.54%。除17：00時R/FR在遮陰和光斑處沒有顯著差異，其余時點光質(zhì)各參數(shù)在二者間均有顯著差異，但差值很小，B/P差值在0.035—0.083之間，R/P差值在0.019—0.047之間，B/FR差值在0.291—0.469之間，R/FR和B/R差值分別在0.131—0.162和0.192—0.425之間。

表3 建筑遮陰下光斑的光強及光質(zhì)特征Table 3 Characteristics of light intensity and light quality of lightflecks under building shade

光強、光質(zhì)參數(shù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=6)，不同字母表示遮陰與光斑之間差異顯著(P<0.05)

3 討論與結(jié)論

城市作為人工生態(tài)系統(tǒng)，與自然生態(tài)系統(tǒng)相比，形成了獨特的城市環(huán)境特征。建筑等人工構(gòu)筑物由于材料、結(jié)構(gòu)以及多樣的分布形態(tài)，可對周邊環(huán)境造成不同程度的影響[13-14]。人工建筑與自然林冠對于入射光的截獲可能因材質(zhì)和形態(tài)的不同而有所不同，繼而使得近地面植物所處的以光強和光質(zhì)為特征的光環(huán)境因而有所不同。

晴天時，建筑攔截入射太陽輻射，可使得遮陰處近地面光合有效輻射降至天空自然輻射的9.09%(表2)，略高于行道樹白蠟遮陰下的5.50%，Clark等[15]也曾報道建筑遮陰時輻射能可以小于太陽輻射的10%。建筑遮陰處全天大部分時間光強不超過100μmol m-2s-1，早晚光強可降至40μmol m-2s-1以下。大部分城市植物的光補償點在4—40μmol m-2s-1[8, 16-17]之間，光飽和點在200—1800μmol m-2s-1[16-17]之間，因此許多植物能夠在建筑遮陰處生長。但對于光補償點和光飽和點較高的喜陽植物來說，相對天空自然輻射，遮陰處低光強會縮短日光合作用時間，降低光合速率，進而影響其生長及固碳量。同時，建筑遮陰處的低光強可能會影響到城市植物的物種組成[18]。因此，建筑對光強的衰減對于園林植物移植以及基于生態(tài)服務(wù)功能的綠化規(guī)劃等具有重要意義。

相對于天空自然輻射和林冠遮陰，建筑遮陰下藍光比例升高(表2)，這與Gaskin和Bell的研究結(jié)論是一致的[9,12]。植物所處的環(huán)境中，是直接輻射、散射和反射的綜合結(jié)果，建筑攔截直接輻射的紅光和藍光，但散射藍光較多，被建筑表面折射到陰影中，Ustin等[19]研究發(fā)現(xiàn)，有時散射可以貢獻藍光的25%，Iqbal[20]也指出，短波光的散射比整個光譜更強。因此，建筑遮陰下，藍光占光合有效輻射的比例升高，藍光紅光比例B/R增大。冠層遮陰下，由于冠層葉片光合作用吸收利用紅藍光，冠層下散射藍光很少，因此藍光比例B/P要低于建筑遮陰下。因為藍光和紅光的變化，使得建筑遮陰處B/R顯著高于天空和冠層遮陰(表2)。Takemiya等[21]發(fā)現(xiàn)在接近光補償點的低光強時，藍光促使葉綠體在細(xì)胞表面富集及氣孔孔徑增加，從而增加了光合固碳的效率(約5%)。有研究表明隨著藍光比例的增加，黃瓜和玫瑰的凈光合速率有上升的趨勢[22-23]，其對植物的影響與光強類似。因此建筑遮陰下藍光比例的上升可能對遮陰處植物的光合行為有積極的作用。

藍光遠(yuǎn)紅光的比例B/FR在3種遮陰環(huán)境中的順序為建筑遮陰>天空>冠層遮陰(表2)，這與Bell的研究結(jié)果一致[12]。直接輻射的遠(yuǎn)紅光可以穿透樹冠，但是被建筑遮擋，使得建筑遮陰處的比例降低，B/FR升高。Ahmad[24]指出，光敏色素和藍光受體在一些種中可能存在共同作用，以影響植物的某些性狀，如下胚軸伸長的抑制及花青素的產(chǎn)生等，Nagashima等[25]也提到，盡管方向的生長依賴于向光素，這個反應(yīng)的大小被光敏色素和隱花色素所調(diào)節(jié)。因此，雖然沒有研究報道建筑遮陰下B/FR的改變會直接影響植物的光合，但是其光合和形態(tài)可能會被光質(zhì)影響下的藍光受體和光敏色素之間的關(guān)系間接影響。

天空和建筑遮陰下紅光遠(yuǎn)紅光比例R/FR沒有顯著差異，Griffith[26]也提到建筑遮陰在某種意義上屬于“中性”遮陰。但冠層遮陰處顯著低于二者，冠層下R/FR的降低與許多自然群落研究結(jié)果一致，這是由紅光被冠層吸收利用，遠(yuǎn)紅光可以穿透林冠到近地面引起的。冠層下R/FR的降低可能引起植物光合下降、葉面積減少、株高增加、生物量分配模式改變等一系列生長參數(shù)發(fā)生變化[3-4]。

在傍晚時分，自然和林木遮陰處B/P的上升和R/FR的下降與許多研究結(jié)果一致[27-28]，這是早晚受太陽高度角及大氣和水汽影響，散射藍光和遠(yuǎn)紅光增加的結(jié)果。此外，建筑遮陰處日均紅光比例R/P略低于冠層遮陰，與Bell的結(jié)果不一致[12]，這可能與西向建筑遮擋有關(guān)，使得傍晚時建筑遮陰下的R/P略低于冠層遮陰下。

冠層下R/FR與入射光合有效輻射比例呈顯著的對數(shù)關(guān)系(圖4)，Pecot對長葉松森林的研究也呈相同的趨勢[11]。建筑遮陰下二者也呈對數(shù)關(guān)系，參數(shù)與冠層遮陰下略有不同，這在一定程度上反映了建筑對紅光和遠(yuǎn)紅光的攔截特征。此外，冠層遮陰下B/P與PAR呈對數(shù)關(guān)系，但建筑遮陰下這種關(guān)系并不顯著，說明建筑遮陰下光譜可能受到周圍建筑物的高度、方向、相對位置及建筑表面反射等因素影響而變化更復(fù)雜。

使用不同波段對R/FR進行積分，對結(jié)果沒有顯著影響(表2)，意味著在進行其它光譜測量研究和光與植物相關(guān)控制實驗時，兩種波段積分均可。雖然對B/R的兩種積分方法結(jié)果有顯著差異，但這種微小的差異可能不會顯著影響植物的光合和形態(tài)[22-23]，可以認(rèn)為其與R/FR一樣，兩種波段積分方法可以通用。

3個不同時點的建筑遮陰處光斑的光強明顯高于遮陰處，這對于建筑遮陰下的植物來說可能具有重要的意義。在高層建筑群中重度建筑遮陰可能使近地面光強降至全日照的4%甚至更低[8,29]，玻璃反光光斑是植物在弱光環(huán)境中利用更多光能的途徑之一，這種類似于自然林木冠層下的光斑可以使城市植物在極低光強時亦能維持生長和正向碳平衡。

從對天空、建筑遮陰和冠層遮陰的研究結(jié)果可以看出，城市不同遮陰環(huán)境下光環(huán)境的差異主要體現(xiàn)在光合有效輻射和部分光質(zhì)參數(shù)的改變。遮陰使光強降低，與天空自然輻射相比，建筑遮陰下藍光比例B/P、藍光紅光比例B/R和藍光遠(yuǎn)紅光比例B/FR升高，且高于冠層遮陰，紅光遠(yuǎn)紅光比例R/FR沒有顯著變化，光質(zhì)的變化對植物的光合可能起到積極的作用。對于更多城市建筑形態(tài)、布局對光環(huán)境的影響及城市植物對建筑遮陰下光強光質(zhì)改變的閾值反應(yīng)尚需要更多的實驗研究。

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Characteristics of light intensity and light quality in different types of shade environments in urban areas

YU Yingying,HU Dan*,WANG Xiaolin,LI Yuanzheng,HAN Fengsen

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalScience,ChinaAcademyofSciences,Beijing100085,China

Many high-rise buildings were erected during the urban development of China and many other countries. Considering that artificial structures and buildings have special morphology, with different materials and distribution patterns, they might form artificial shade environment different from natural shade formed by trees. To study the differences between artificial and natural shade in urban area, we measured light environment of typical artificial shade created by urban buildings and canopy shade created by trees in August with a portable fiber optic spectroscope (ULS2048XL, Avantes Inc., The Netherlands). The results showed that buildings and tree canopy alter the shade microenvironment at different levels. Both types of shade caused attenuation of light intensity. The total daytime photosynthetic active radiation (PAR) for building shade was reduced to 9.09%of the natural sky radiation on sunny days, whereas the total PAR for canopy shade was reduced to 5.50%of natural sky radiation. The hourly values of the PAR in the two types of shade were under 200μmol m-2s-1, and under 100μmol m-2s-1for most daytime hours in building shade. These values were lower than the light saturation points of most urban plants. Different types of shade also affect the light quality, such as the ratio of blue/PAR (B/P), blue/red (B/R), blue/far-red (B/FR), and red/far-red (R/FR). Due to light reflection and scattering, the ratio of blue light in PAR (0.360± 0.009) for building shade was significantly higher than the ratio of the natural sky radiation and canopy shade. Because of absorption and utilization of the blue light by canopy, lowest the B/P ratio was obtained for canopy shade. The ratios of B/R and B/FR for building shade were also higher than those in the other two light environments. The B/R ratio for building shade was 1.196 ± 0.036, whereas it was 0.666 ± 0.022 under natural sky radiation. There was no significant difference in the R/FR ratio between natural sky radiation and building shade, reaching 1.048 ± 0.068 and 1.108 ± 0.093, respectively. However, the R/FR ratio for canopy shade (0.422 ± 0.111) was lower than it in the other two light environments. The light quality of urban building shade may be beneficial to the photosynthesis of urban plants and may change some aspects of plant physiology and morphology by influencing phytochrome and blue light receptors. We calculated the R/FR ratio by integrating two different bands that were used in previous studies and found that the two methods of integration had no significant effect on the results. The values of the B/R ratio calculated by integration of the wide band were lower than those of the narrow band, but the differences were very small. Therefore, the two types of integration methods may be universally applied in plant photosynthetic and physiological studies. We also measured the light environment of lightflects formed by buildings. The results indicated that lightflects by glass reflection improve light intensity of the building shade, which may be significant to urban plants grown under low light conditions. In conclusion, this study provides a reference for future studies investigating the impact of urban environment, urban configuration of greening species, and landscape planning on plant growth.

urban light environment; shade by building; changes in light quality; urban plants

國家自然科學(xué)基金項目(70873121)；城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室專項基金(SKLURE2013-1-01)；中國科學(xué)院“一三五”創(chuàng)新項目(YSW2013-B04)

2014- 05- 12; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2015- 05- 19

10.5846/stxb201405120974

*通訊作者Corresponding author.E-mail:hudan@rcees.ac.cn

于盈盈，胡聃，王曉琳，李元征，韓風(fēng)森.城市不同遮陰環(huán)境下光強和光質(zhì)特征.生態(tài)學(xué)報,2015,35(23):7748- 7755.

Yu Y Y,Hu D,Wang X L,Li Y Z,Han F S.Characteristics of light intensity and light quality in different types of shade environments in urban areas.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7748- 7755.