王琦

（長(zhǎng)春電子科技學(xué)院環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)，吉林長(zhǎng)春 130000）

室內(nèi)設(shè)計(jì)涵蓋居住建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)、公共建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)以及農(nóng)業(yè)建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)四大類，前三類設(shè)計(jì)通常采用自然光和自然光混合人工光的方式設(shè)計(jì)室內(nèi)光環(huán)境，后者通常采用人工光源的方式進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)。但對(duì)室內(nèi)植株培養(yǎng)的光源設(shè)計(jì)而言，既要保障室內(nèi)的基本照明，又要確保植株能夠吸收到生長(zhǎng)所需的光。基于此，針對(duì)室內(nèi)植株培養(yǎng)室光環(huán)境設(shè)計(jì)藝術(shù)進(jìn)行分析，思考一種能夠滿足植株培養(yǎng)室所需光源的設(shè)計(jì)。

1 光環(huán)境設(shè)計(jì)藝術(shù)下室內(nèi)設(shè)計(jì)的要素分析

1.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)中光環(huán)境的光源色溫與顯色性

1.1.1 光源色溫。光元素是現(xiàn)階段室內(nèi)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，設(shè)計(jì)師在營(yíng)造良好的室內(nèi)光環(huán)境時(shí)，需要以室內(nèi)光源結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合室內(nèi)結(jié)構(gòu)選擇合適的光源色溫進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)造。自然光與室內(nèi)裝飾材料間的結(jié)合，隨著光照強(qiáng)度與溫度不斷升高，其照射在裝飾材料上的光顏色也會(huì)隨著發(fā)生變化，比如，以黑色作為底色設(shè)計(jì)裝飾材料，當(dāng)太陽光以不同角度對(duì)其照射時(shí)，光源的光色與黑體產(chǎn)生的變換性光感即是黑體材料所得到的色溫，這種設(shè)計(jì)能有效填補(bǔ)因太陽光照射強(qiáng)度過低導(dǎo)致的色溫問題[1-3]。而在完全人工設(shè)計(jì)的光環(huán)境下，則無需考慮因光源變化而出現(xiàn)的光源色溫問題。

1.1.2 光源顯色性。光源顯色性是室內(nèi)設(shè)計(jì)中形成固定光感環(huán)境的重要因素之一。光源顯色性主要指通過光照的方式使物體反射出不同顏色的性能，顯色性越好的材料和顏色所呈現(xiàn)的光感效果就越好，就越能夠得到設(shè)計(jì)之初的光環(huán)境。例如，機(jī)場(chǎng)、火車站以及展覽館等建筑，其對(duì)光源顯色性的要求在于亮度的高低，因此這些地方的建筑多會(huì)采用大面積頂層和側(cè)面采光的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。而一些農(nóng)業(yè)試驗(yàn)性質(zhì)的建筑，因試驗(yàn)性質(zhì)的要求會(huì)對(duì)光源進(jìn)行控制，因此在固定光源照射下其顯色性會(huì)相對(duì)固定。例如，在農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)探究不同顏色光源照射下對(duì)植物生長(zhǎng)的影響中，便需要一直保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光源顯色性處于恒定[5]。

1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)中自然光和人工光的應(yīng)用效果

室內(nèi)設(shè)計(jì)中光環(huán)境的藝術(shù)設(shè)計(jì)不論從二維還是三維的角度出發(fā)，光源基本都是由點(diǎn)、線、面等基礎(chǔ)單位所構(gòu)成的。在光環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師一般會(huì)通過多種光源組合或者外部材料結(jié)構(gòu)豐富光環(huán)境，使室內(nèi)光環(huán)境無論自然光還是人工光都可以具有豐富與立體的效果[6]。從自然光源設(shè)計(jì)的角度出發(fā)：自然光可分為自然光源和人造光源兩種實(shí)體形態(tài)。對(duì)人類而言，自然光源在所有光源中顯得更為親切與舒適，而過于強(qiáng)烈或異樣的人工光源會(huì)讓人產(chǎn)生不安情緒。而現(xiàn)代建筑下的玻璃窗、玻璃墻和玻璃門等透光性建筑材料，都能夠更好地配合自然光與室內(nèi)光環(huán)境相結(jié)合，讓原本屬于封閉的環(huán)境盡可能被自然光所包圍。從人造光源設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，人造光源具有種類豐富、色彩鮮艷與功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以將其應(yīng)用在各種室內(nèi)設(shè)計(jì)下的光環(huán)境設(shè)計(jì)中[7]。人造光源與自然光相比，最大的意義在于人類可控制光，進(jìn)而能夠進(jìn)行一些需要控制光源變化的光環(huán)境設(shè)計(jì)，例如制藥、育苗以及各種熒光劑檢測(cè)試驗(yàn)。自然光與人工光源在居住和工作建筑內(nèi)的應(yīng)用設(shè)計(jì)較常見，且設(shè)計(jì)藝術(shù)層次已有很大程度的發(fā)展與研究。因此，將重點(diǎn)分析人工光源在植株育苗實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光環(huán)境設(shè)計(jì)，思考人工光源設(shè)計(jì)藝術(shù)對(duì)科技發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 室內(nèi)育苗的光環(huán)境設(shè)計(jì)

2.1 研究意義

在植物育苗實(shí)驗(yàn)研究中，光照、降水以及溫度等因素是可以直接影響植物走向的變量，因此為更好地進(jìn)行植株育苗工作?，F(xiàn)階段，很多育苗研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)進(jìn)行，在室內(nèi)雖然溫度與降水等因素可以得到控制，但試驗(yàn)仍會(huì)受自然光的影響。對(duì)此，本研究將針對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)育苗光環(huán)境設(shè)計(jì)藝術(shù)進(jìn)行分析。

對(duì)于植物幼苗而言，紅光（660nm）和藍(lán)光（450nm）是植物進(jìn)行光合作用所吸收的主要光，而730nm 的遠(yuǎn)紅光雖然對(duì)植物幼苗的生長(zhǎng)影響較小，但仍需要對(duì)其進(jìn)行控制。植物中上部分的葉綠素對(duì)紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)光源吸收量最大，而對(duì)遠(yuǎn)紅光吸收量最小。因此，在育苗實(shí)驗(yàn)室中，其光環(huán)境的設(shè)計(jì)應(yīng)呈階段性分布，即上層光源應(yīng)以紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)光源為主，下層紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)的光照波長(zhǎng)應(yīng)逐漸減弱。因此，本研究以上述3 種波長(zhǎng)的LED 燈按照一定比例進(jìn)行組合，并調(diào)節(jié)其強(qiáng)度和比例，以探究光環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)植物幼苗及生長(zhǎng)過程的影響。

2.2 光源主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上述植物生長(zhǎng)習(xí)性為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)10 個(gè)LED 燈板。為防止光源產(chǎn)生溫度影響實(shí)驗(yàn)環(huán)境，將使用鋁材作為光環(huán)境層次設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)框架，框架的應(yīng)力結(jié)構(gòu)則采用鋼材制造。以現(xiàn)階段農(nóng)產(chǎn)品雜交實(shí)驗(yàn)室通用的多層植物培養(yǎng)架標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)LED 燈板的尺寸，因本實(shí)驗(yàn)選擇的農(nóng)作物為玉米和大豆，因此整個(gè)LED 光源板的寬為60cm，長(zhǎng)為100cm；并將實(shí)驗(yàn)所涉及的其它設(shè)備隱藏到框架內(nèi)部，避免其影響育苗光環(huán)境。

2.3 材料與方法

2.3.1 玉米套種大豆田間光環(huán)境測(cè)定。植株的種植方式按照我國西南地區(qū)玉米與大豆的栽培方法進(jìn)行育苗，玉米于4 月上旬進(jìn)行播種，種植密度為41000～44000 株/hm2，實(shí)驗(yàn)寬窄行間法進(jìn)行隔離栽培，寬行行距設(shè)計(jì)為150cm，窄行行距設(shè)計(jì)為50cm。當(dāng)玉米育苗生長(zhǎng)到大喇叭口期時(shí)，即種植后約50～65d 時(shí)在玉米寬行內(nèi)播種大豆。用AvaField-1 地物光譜儀測(cè)定寬窄行間下的光環(huán)境。

2.3.2 應(yīng)用LED 光源模擬田間光環(huán)境。以上述方法制作2 個(gè)能夠獨(dú)立控制且相同的LED 光源發(fā)生器，并將其安裝在光環(huán)境層次設(shè)計(jì)的框架上，根據(jù)AvaField-1地物光譜儀測(cè)定結(jié)果，利用控制器調(diào)節(jié)燈板上3 種顏色LED 燈的輻射強(qiáng)度。其中，一個(gè)光源需要模擬自然光照環(huán)境；而另一光源需要模擬植株在復(fù)合群體下蔭蔽的光環(huán)境。設(shè)定2 個(gè)光源板上的LED 燈閃爍頻率為500Hz，光環(huán)境周期為13h，無光照時(shí)間為11h。將大豆播種到高度和直徑均在10cm 的器皿中。每天進(jìn)行1 次澆水活動(dòng)，使土壤基質(zhì)的含水率能夠保持在70%～75%，以7d為周期澆1 次1/2Horland 培養(yǎng)液。每盆3 株，分別置于2 種LED 燈光環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)，室內(nèi)溫度維持在25℃，空氣濕度維持在70%，每個(gè)處理8 盆，重復(fù)3 次。隨著植株的生長(zhǎng)而不斷調(diào)節(jié)其高度，使紅光區(qū)和藍(lán)光區(qū)形成的光環(huán)境能夠始終與植株頂端距離保持在10cm，從而得到準(zhǔn)確的人工光環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)植物生長(zhǎng)影響的數(shù)據(jù)。

2.3.3 相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。應(yīng)用AvaField-1 地物光譜儀測(cè)定植株生長(zhǎng)光環(huán)境，主要包括LED 光源距植株10cm 處的光環(huán)境光譜組成、輻射強(qiáng)度以及均勻程度等。當(dāng)2 種光環(huán)境下培養(yǎng)的植株生長(zhǎng)到復(fù)葉全展時(shí)期，對(duì)植株的株高、莖粗、葉面積、鮮葉質(zhì)量以及干質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定記錄，并采用抗倒儀測(cè)定植株胚軸中部的抗折力。利用SPSS13.0 統(tǒng)計(jì)軟件，以T 檢驗(yàn)法分析檢測(cè)數(shù)據(jù)的差異顯著性。

2.4 測(cè)試結(jié)果

2.4.1 玉米套種大豆田間光環(huán)境。在人工模擬自然光下的田間實(shí)地測(cè)定結(jié)果表明，大豆植株在玉米遮陰的情況下所能接收到的有效光合輻射強(qiáng)度降至自然光的25.97%左右；因玉米植株對(duì)光譜中不同波段的吸收率存在一定差異，所以導(dǎo)致人工設(shè)計(jì)藍(lán)光、紅光和遠(yuǎn)紅光組成的光環(huán)境存在透光率不同的問題，其中藍(lán)光區(qū)與紅光區(qū)的透光性與輻射強(qiáng)度不具有顯著的透光差異，而遠(yuǎn)紅光區(qū)的透光程度遠(yuǎn)高于藍(lán)光區(qū)與紅光區(qū)，但輻射強(qiáng)度卻低于藍(lán)光區(qū)和紅光區(qū)的光線。因此，大豆植株所處階層的光環(huán)境設(shè)計(jì)與自然光相比存在總有效光輻射降低而遠(yuǎn)紅光比例增加的情況，人工光環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)植株生長(zhǎng)的影響數(shù)據(jù)如圖1，表1 所示。

圖1 自然環(huán)境和玉米行間光譜對(duì)比

表1 自然光與玉米行在兩種人工光環(huán)境下的光照輻射強(qiáng)度比較（單位μ/m2/nm）

2.4.2 LED 光源模擬設(shè)計(jì)的田間光環(huán)境對(duì)植株生長(zhǎng)的效果。根據(jù)上述玉米套作大豆田間的人工光環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定A 與B 2 個(gè)LED 光源的藍(lán)、紅和遠(yuǎn)紅光的光強(qiáng)，測(cè)定2 個(gè)LED 光源下10cm 處的光環(huán)境，由地物光譜儀測(cè)定出的光譜圖見圖2。結(jié)果表明，所研究的人工LED 光源光環(huán)境設(shè)計(jì)可以很好地模擬田間下的自然光環(huán)境。

圖2 LED 光源模擬田間光環(huán)境效果圖

因植株育苗培育實(shí)驗(yàn)下的作物分子及生理機(jī)制研究需要保障植株生長(zhǎng)具有一致性，因此設(shè)計(jì)具有范圍性與相對(duì)均勻性的光環(huán)境對(duì)于實(shí)驗(yàn)顯得尤為重要。為分析光源板下人工設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的均勻程度，將在光源板上2 個(gè)斜對(duì)角處取11 個(gè)間距均為10cm 的點(diǎn)，測(cè)定450nm、660nm 以及730nm 的3 個(gè)波段輻射強(qiáng)度，重復(fù)5 次，測(cè)定數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 LED 光源對(duì)角線上不同點(diǎn)的光譜組成

由圖2～3 數(shù)據(jù)可知，在各個(gè)監(jiān)測(cè)波段下，除起始監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱外，其余9 個(gè)點(diǎn)的光環(huán)境輻射強(qiáng)度變化幅度均相對(duì)較小，證明人工設(shè)計(jì)由3 個(gè)波段組成的光環(huán)境在培養(yǎng)架區(qū)域內(nèi)分布均勻。

2.4.3 不同LED 人工光源下大豆植株的生長(zhǎng)情況。由表2 中記錄數(shù)據(jù)可知，在應(yīng)用3 種不同波長(zhǎng)的LED 燈模擬植株田間套作蔭蔽光環(huán)境下，大豆植株的株高、葉面積以及莖干重等指標(biāo)數(shù)據(jù)均有明顯增加，而植株的葉干質(zhì)量、根干質(zhì)量、比葉質(zhì)量、根冠比以及葉片SPAD 值等數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)顯著降低，因此大豆植株將表現(xiàn)出體態(tài)纖細(xì)與光合能力下降等問題，這種頭重腳輕的植株會(huì)面臨莖稈強(qiáng)度下降和易倒伏等問題，而這是植物在蔭蔽光環(huán)境下出現(xiàn)的典型避蔭性反應(yīng)，證明本研究的人工光環(huán)境與自然光環(huán)境產(chǎn)生的效果相同。

表2 LED 光源模擬間作蔭蔽光環(huán)境對(duì)大豆植株生長(zhǎng)的影響

3 結(jié)語

因現(xiàn)階段已有很多針對(duì)人類居住與工作建筑的室內(nèi)光環(huán)境設(shè)計(jì)研究，而缺少針對(duì)科研領(lǐng)域與特殊人工光環(huán)境設(shè)計(jì)的分析與思考，對(duì)此的分析對(duì)象為小領(lǐng)域農(nóng)業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室光環(huán)境設(shè)計(jì)。通過分析人工LED 光源設(shè)計(jì)對(duì)玉米與大豆蔭蔽種植的影響，并與自然光環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，探究出人工光環(huán)境設(shè)計(jì)的藝術(shù)層次。