城市道路夜间照明与行道树相互影响探析

王旭东

许 晶

徐 慧

沙 霖

王雪瑞

道路照明系统及道路绿化系统是城市道路环境中2个重要的组成部分，两者之间既有密切联系，又相互独立。城市道路照明在保障道路行车安全、提升城市夜景品质以及改善人居环境等方面起到关键作用。城市道路绿化在提供遮阴、隔声降噪以及降温增湿等提升交通环境舒适度、组织交通功能以及视觉景观效果等方面发挥着多元化的功效。行道树的空间配置与分布会对夜晚道路照明产生负面影响，进而阻碍了城市交通安全。然而，城市道路中的照明设施布置不合理，将会对行道树的生理特性及生态效益造成不利影响，有时甚至对树木造成伤害[1，2-5]。 如何协调两者之间的关系，使之效益得到最大限度的发挥成为解决问题的关键所在。涉及道路照明系统与道路绿化系统两者的相关研究主要体现在以下2个方面。第一，树木对照明设施的影响，主要体现在对照明灯光的遮蔽。其中，具有代表性的研究有，卢茜[6]以行道树国槐为研究对象，研究不同季节(春夏两季)行道树对道路LED照明效果的影响程度，并采用一系列指标对照明效果进行比较分析。第二，道路照明设施对树木的影响，主要体现在人工照明对树木生理特性的影响。具有代表性的研究有，范春楠[7]以杏树为研究对象，探索了HPS路灯照射以及LED路灯照射分别对杏树生长及光合的影响；陈芳与彭少麟[1]以6种灌木为研究对象，通过实验模拟，比较分析了在对照和夜晚光处理条件下的植物生长特性、生物量分配、叶片形态和叶绿体超微结构等，提出了对光敏感性高的灌木应该尽量避免种植在高强度光照的环境中。上述实验结果为了解城市道路光照对行道树生长的影响以及城市行道树的管理提供了一个重要的参考，奠定了城市道路照明设计与绿化设计综合性研究的基础。

尽管已有部分学者分别对道路照明与行道树2个方面进行了研究与总结，但是，该领域的研究尚处于探索性阶段，特别是针对两者之间关系以及不同照明类型与不同行道树类型之间比较等方面就显得更为欠缺。因此，本文以郑州市最主要的行道树二球悬铃木为研究对象，探索道路照明与行道树两者之间的相互关系及影响，开展该方面的研究不仅有利于摸清行道树对道路照明环境的影响，为城市道路照明的优化设计提出参考，同时也有利于强化道路照明对行道树生理生态过程的认知，为城市行道树配置提供科学依据。

1 研究方法

1.1 调研区域及对象

二球悬铃木，城市重要的绿化树种之一，我国引种栽培已有100多年历史，由于最早栽种在上海法租界而得名，在我国黄河以南和长江流域生长最好[8]。悬铃木素有“行道树之王”之称，同时也是郑州市的市树。所调查的道路有2条，分别是观测点中兴南路(金水东路段)与华北水利水电大学主干路，路面材料均为沥青路面，2条道路上的行道树均为二球悬铃木。中兴南路的照明灯具类型为高压钠灯，华北水利水电大学主干路的照明灯具类型为LED灯，道路周边基本上没有其他环境光的干扰。调研时间为2018年6月底7月初，20：00—次日10：00(图1)。具体调研区域及对象如表1所示。

1.2 研究与分析方法

第一，照度测量。照度用于指示物体表面被照明程度的强弱，是衡量道路照明效果的基本指标。不同树种的冠层结构及枝叶分布直接影响路面局部的照度值。由于所研究对象人工照明光源均位于树冠上部，为了更好地梳理人工照明在不同冠层部位的分布与强度以及对树冠的影响范围，将树冠进行平均等分，划分为树冠上部、中部与下部三部分，利用照度计分别对冠层上部、中部、下部以及落地照度(灯头照射方面垂直落地区域)进行垂直竖向测定，每个部位以垂直点为中心，半径1m范围内，测定6～8次，为该部位的照度阈值范围。第二，行道树光合特性测定。受观测仪器数量和调查人员的限制，中兴路(HPS灯)和华北水利水电大学(LED灯/高压钠灯)的二球悬铃木样本光合参数测定未能实现同时段进行，而是分别在20：00与22：00展开。具体取各观测点路灯照射下行道树二球悬铃木各3株，每株样本测定3次，测定部位分别为冠上、冠中、冠下部位，利用Li-6400xt型光合测定仪对夜晚路灯照射情况下行道树的光合特性的变化。第三，行道树叶绿素的测定。分别采集不同路段样本树冠上、中、下 部位的叶片各3片，同一冠层部位叶片制混合样品，采回的样品经研磨和丙酮浸提后利用紫外分光光度计测得吸光度，计算叶绿素总含量。

图1 道路照明及行道树调研与实验过程

所调查数据计算采用Excel 2010软件；图形绘制与统计分析分别在Origin 8.0和SPSS 19.0进行。

2 调研结果与分析

2.1 行道树对道路照明光线遮蔽的影响分析

行道树的空间结构与分布不合理会对夜晚道路照明产生负面影响，进而阻碍了城市交通安全。通过对以上2条路线的夜晚光环境进行调查分析，结果表明，中兴南路(高压钠灯照射)无行道树二球悬铃木遮蔽的区域落地照度区间为32～35lx，有行道树二球悬铃木遮蔽的区域落地照度区间仅为1～2lx。华北水利水电大学(LED灯)无行道树遮蔽的区域落地照度区间为15～20lx，有行道树遮蔽的区域落地照度区间仅为0.2～1lx。行道路遮蔽区域的灯光照度远低于《城市道路照明标准(CJJ 45—2015)》中规定次干道路面照度15～20lx的规范要求。中兴南路(高压钠灯照射)行道树的冠上(距灯头约1m)、冠中、冠下以及落地平均照度范围分别为5 000以上、500～1 000、30～300和1～2lx。华北水利水电大学(LED灯)行道树的冠上、冠中、冠下以及落地平均照度分别为5 500以上、500～700、70～280和0.2～1lx。由此可见，二球悬铃木树冠对路灯进行了大幅度的遮蔽，甚至是完全遮挡灯头，严重阻挡和遮蔽了路灯光线的直射及折射，从而使得落地照度大打折扣，对道路夜晚行车环境造成了非常不利的影响。此外，行道树对道路照明的影响区域还取决于树木冠幅的大小。道路照明从树冠上部投射到树冠后，在道路路面上投下不规则的黑色树冠投影边界区域，测量中该区域的照度值均在5lx以下。调研过程中，选取以照度测点为中心的3个区域(以道路中线至人行道的横向宽度，沿道路纵向延伸10m)，估算该范围内路面上黑色树冠投影区域的面积占该区域的百分比。结果显示，所调查道路灯下树冠所形成的树冠投影遮光区域平均在50%以上，对道路行车安全产生了潜在威胁。

2.2 道路照明对行道树冠层结构及光合生理特性的影响分析

2.2.1 道路照明对行道树冠层结构与形态的影响

冠层是植物群落进行生理活动的重要场所，也是体现树木生长活力与生态效益的重要媒介。然而，道路照明会对冠层结构与形态发育及变化产生重要的影响，最直接的影响就是可能导致偏冠，这方面已有一些学者对此进行了验证，因为夜间照明可延长植物的光合时间，促进园林树木枝条的生长，主要由不同类型植物对光的敏感度决定[7]。然而，在道路调研过程中，发现在高压钠灯直接接触和照射的区域(0.5～1m)内，树冠出现了“空洞”(枝叶缺失)，原因是高压钠灯照明的同时，灯头会产生局部高温，进而影响冠层内部周边的枝叶分布，导致树木冠层内部缺冠现象。

2.2.2 道路照明对行道树光合特性的影响

调研结果表明，第一，由于夜间道路照明会启动树木冠层局部的光合作用，影响了植物的夜晚休眠；第二，LED光源照射条件下二球悬铃木的光合速率指标均高于钠灯照射，除了受光源光谱的差异影响所致以外，也可能与灯头在冠层中空间分布有关。不同灯光照度强度条件下的各冠层部位光合速率如表2所示。由此可见，二球悬铃木对于高压钠灯没有LED光源敏感，在不同的照射梯度下，均没有启动光合(以光合速率正值为依据)，但由于灯头高温区域导致枝叶缺失，无法获取离灯头较近部位冠层部分的光合速率，还不能说明该部位是否启动光合作用。二球悬铃木在不同梯度LED光源照射条件下，不同冠层部位的光合速率随着照度的削减而减弱，但总体上来讲，光合速率均保持正值。此外，也表明了行道树在连续且长时间道路照明的影响下，改变了植物的昼夜节律和光周期，从而启动了植物的一些生理行为，致使夜间无法进行正常休眠，甚至对植物产生较大的伤害，这一点已有学者证实[1，7]，强度为1μmol/(m2·s)的夜晚弱光处理下，足以达到进一步损害光合器官所需的光强。

2.2.3 道路照明对叶绿素含量的影响

本调研结果表明，行道树冠层部位叶绿素含量与光源的距离(强度)和类型有关。高压钠灯照射的行道树叶绿素含量高于LED灯照射的叶绿素含量，这可能与光质存在一定关联。行道树的叶绿素含量以靠近光源的最低，冠下光照强度较低，叶绿素含量相对较高(表2)。夜晚的长期灯光照射，可能会导致树木枝叶干燥缺水或过度生长，伴随着叶绿素含量及叶绿体结构的改变，会呈现叶色变淡等一些不良性状，影响树木的观赏价值。此外，夜晚照明造成冠层叶绿素分布不均，还有可能造成落叶的延缓，容易诱发枝叶的冻害。以上所诱发的不良后果已被诸多学者所证实[7，9-10]。

3 结语与讨论

3.1 结语

基于道路照明与道路绿化相互影响的视角，探讨了行道树对照明效果的影响以及行道树对道路照明的光合生理响应。通过上述的调研结果与分析表明，城市道路照明与道路绿化两者关系的不协调，会导致两者之间产生相互不利的影响，影响两者功能及效益的发挥。鉴于此，提出以下优化调控策略与建议，旨在提升城市夜晚光环境质量以及保护城市园林树木及维系城市生态系统平衡，并为城市道路照明设计以及行道树的配置提供了基础支撑与参考。

表1 研究区域及对象概况

表2 不同光源类型及对应光合生理指标

3.2 讨论

首先，针对行道树对道路照明的影响。行道树种类选择的关键在于满足遮阴功能，多以冠形硕大且圆满为基本标准。灯具的选取多以满足道路基础照明的照度等照明标准确定。树木规格与体量以及灯杆高度一旦在道路空间尺度上把握失衡或缺乏统筹部署，很容易造成两者在空间上的重叠，进而彼此相互影响其功能与效益的发挥。因此，可以依据道路尺度及灯具尺度及分布，对行道树中的规格选择、株行距设置以及空间分布进行优化；同时，也可以调整灯具高度及构造(悬挑、仰角)与选型的方式，尽可能地避开与树冠的交接(图2)。

例如，针对体量较小的行道树，可将灯具调整至树冠上方，针对体量硕大的行道树，如文中讨论的行道树二球悬铃木，其树木体量硕大，对灯具很容易形成遮挡，此时可考虑降低灯头高度或改变灯杆构造及形态调整至树冠下方以满足照明规范需求，或者可依据照明的光谱范围、强度与方向等参数，同时确定照明对植物的影响范围及程度，可以通过配合搭建智能灯控系统进行合理调控。此外，本研究调研的时期在夏初，不同生长发育阶段与季节条件下的树木冠层结构变化对道路照明的影响也是不一样的[6]，这也是下一步研究所要继续完善的地方。

其次，针对道路照明对行道树的影响。城市夜景照明系统布局不合理以及产生的光污染，不仅会对植物的生理生态产生负面影响[11]，甚至是对叶绿体等光合器官产生损伤[1]。本调研结果与分析也表明，夜间照明对树木光合生理及冠层结构产生了一定不利影响。以夜晚道路照明对光合作用启动的临界值为参考依据，建议提出人工照明与行道树之间的“安全照明距离”，作为协调树木配置及照明设计之间空间关系的参考依据。所谓安全照明距离，就是寻找特定光源照射下不同类型树种启动光合的临界点，并以此为依据推算出照明设施与园林树木之间的距离。例如，“评估人工照明对园林植物光合作用影响的光度学方法”专利中提到[12]，高压钠灯光照强度高于1 390lx，香樟启动光合作用，大于该距离处的照度都低于光补偿点的对应照度，即高压钠灯照射香樟时的安全距离。照度与距离的换算可根据灯具类型和强度进行确定，图3是在150W照明光源下实测得出的距离与照度的相互关系。由于不同植物类型对夜间灯光照明的敏感度即适应性不同，在不同光源条件下的光合特性均表现不同，因此，不同类型行道树启动光合的光照强度值也有所差异，故所需的安全距离也有所不同。因此，基于光合生理的行道树与照明设施之间的安全距离估算也将是下一步要解决的问题。

此外，本研究所开展的调研只涉及树木繁叶状态下树木的生理特性，城市道路照明对城市道路绿化的影响具有周期性与长期性，对于树木不同生长阶段的影响都是不一样的，摸清夜晚照明对不同发育周期或节点的树木影响机制仍需要长时间的积累观测与验证，还有道路夜晚照明对不同种类园林树木的生理与生长所造成的不同影响有所差异，仍有待进一步全面且系统的研究。

图2 照明灯具与行道树之间的空间关系调控前后比较示意

图3 不同梯度条件下照明距离与照度之间的换算(150W光源)

致谢：感谢郑州市城市照明灯饰管理处李凯、李峰、朱新磊和王攀林在调研过程中给予的大力支持，感谢河南农业大学张志勇、李红萍和常毅洪所提供的光合实验仪器设备与技术支持，感谢参与调研的华北水利水电大学建筑学院的研究生丁益博、郭凯凯，本科生彭煜、张海洋、韩巧、张宝慧、赵芬、韩星和吴文志。