基于色彩模式的秋色葉植物的葉色研究

許麗穎， 劉斗南， 趙玥琪， 王立鳳， 肖 杰， 齊虹凌， 張彥麗

(牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江牡丹江 157012)

彩葉植物雖然葉色豐富，但大多數(shù)時候彩葉植物只有某一個變色期，并且秋色葉居多。秋色葉植物的色彩隨著氣候、時序的變化而變化。一般來說，晝夜溫差和夜間低溫是葉色轉(zhuǎn)色的主要限制因子，其彩葉色彩持續(xù)的時間因氣候變化而有差異。在植物色彩的應(yīng)用方面，主要是關(guān)于植物色彩對人心理和生理的影響、彩葉植物的應(yīng)用、色彩調(diào)和與變化理論的應(yīng)用等內(nèi)容[1-5]的研究，缺乏定量研究。近年來，針對植物色彩研究主要涉及定性研究，而一些學(xué)者開始了對植物色彩的定量研究的拓展[6-7]。關(guān)于葉色分析也主要采用葉片色彩自然色彩系統(tǒng)(natural coloursystem，簡稱NCS)色卡標(biāo)記法[8]進(jìn)行研究，使用RGB值[紅色(red，簡稱R)，綠色(green，簡稱G)，藍(lán)色(blue，簡稱B)]和CMYK值[青色(cyan，簡稱C)，洋紅色(magenta，簡稱M)，黃色(yellow，簡稱Y)，黑色(black，簡稱K)]進(jìn)行植物葉色的研究主要應(yīng)用在海棠[9]、核桃缺素癥[10]等方面。關(guān)于秋季葉色變化與RGB值和CMYK值的變化是否具有一些相關(guān)性未見報道。本研究選取牡丹江主要秋色葉樹種進(jìn)行色彩的量化分析，將這些葉片的色彩值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的RGB值和CMYK值。使用準(zhǔn)確的數(shù)字將色彩變化與時間和溫度科學(xué)地反映出來，準(zhǔn)確地運用各個色彩值進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步總結(jié)秋季葉色變化規(guī)律及最佳葉色觀賞期，為秋色葉植物在北方園林中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本研究選取牡丹江師范學(xué)院校園內(nèi)9種具有代表性的秋色葉植物進(jìn)行研究，其中秋葉紅色5種，秋葉黃色4種，詳見表1。

1.2 研究期氣溫動態(tài)變化特征

由于植物秋季葉色變化與溫度變化具有一定的關(guān)系，研究期間材料選取當(dāng)天最低、最高溫度，詳見圖1。結(jié)果表明，2015年10月3日至11月2日的30 d秋季時段，最低、最高溫度因大陸季風(fēng)性氣候冷暖氣流交替變化而變化，最高溫度為5～20 ℃，最低溫度為-5～6 ℃。晝夜溫差較大，日溫差在7～21 ℃之間，溫度變化適合秋葉植物葉色改變[11]。

1.3 研究方法

1.3.1 取樣方法 自2015年10月3日起，每5 d進(jìn)行1次拍照記錄，每種植物選擇1株有代表性的進(jìn)行研究，每株植物選取3張葉片進(jìn)行標(biāo)記。每次拍攝照片選取同一時間段，葉片上全光照，在沒有任何角度遮擋的情況下進(jìn)行拍照。拍攝整體照及被標(biāo)記葉片的特寫照片，每張照片重復(fù)拍攝3次。拍攝前用小噴壺、紙巾等對葉片進(jìn)行清洗處理，防止葉片上的灰塵對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

1.3.2 顏色測定方法 RGB模型也稱加色模型，它是一種發(fā)光的色彩模式，0～255為3種顏色模式的數(shù)值范圍。CMYK是3種印刷油墨名稱的首字母：青色(cyan)為C、品紅色(magenta)為M、黃色(yellow)為Y。0～100%為4種顏色的含量比例范圍。而K取的是black最后1個字母，之所以不取首字母，是為了避免與藍(lán)色(blue)混淆。CMYK可以準(zhǔn)確地用數(shù)字來描述一種顏色的多少。葉片拍攝后，采用PhotoshopCS3軟件測定葉片的RGB值和CMYK值[12]，并采用Excel進(jìn)行圖表處理。

1.3.3 圖像處理方法 葉片拍攝后，圖像處理方法同李欣等的研究[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 彩葉植物的RGB值和CMYK值變化分析

由圖2可以看出，RGB的色彩模式中，除了紫丁香和山杏G值為最高以外，其他植物均以R值最高，B值最低，B值忽略不計。不同植物R值最高值出現(xiàn)的時間及最高值不同。茶條槭R值最高值在10月8日和10月13日達(dá)到255，整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢，10 d降低45.4%；茶條槭G值與R值走勢相同，最高值在10月13日，達(dá)到246，10 d降低83%；火炬樹R值最高值在10月13日，達(dá)到229，呈先升后降的趨勢，10 d降低30%；火炬樹G值呈現(xiàn)降低的趨勢，最高值在10月3日，達(dá)到153，20 d降低60.8%；五葉地錦R值最高值在10月13日，達(dá)到230，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，10 d降低40%；五葉地錦G值整體上逐漸降低，最高值在10月3日，達(dá)到102，20 d降低 60.8%；金焰繡線菊R值最高值在10月13日，達(dá)到255，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，10 d降低16.4%；金焰繡線菊G值與R值走勢相同，最高值在10月13日達(dá)到170，10 d 降低22.4%；連翹R值最高值在10月3日，達(dá)到247，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，20 d降低85.7%；連翹G值與R值走勢相同，最高值在10月3日，到達(dá)187，20 d降低57.2%；百華花楸R值最高值在10月3日，達(dá)到235，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，20 d降低 31.1%；百華花楸G值呈現(xiàn)先降后升的趨勢，最高值在10月3日，達(dá)到115，隨后降為最低，5 d降低45.2%；金山繡線菊R值最高值在10月8日和10月13日，達(dá)到255，呈現(xiàn)先升后降的趨勢，10 d降低45.2%；金山繡線菊G值與R值走勢相同，最高值在10月13日，達(dá)到246，10 d降低83%；紫丁香與山杏都是G值較高，說明這2種植物與其他幾種植物的色彩有一定的差別。紫丁香在10月3日時G值最高，為226，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，最低值出現(xiàn)在10月8日，為165，降低了27%，隨后逐漸增加，但是還是沒有達(dá)到最初的數(shù)值，R值與G值走勢相同；山杏G值呈現(xiàn)先增加后降低又升高的趨勢，最高值在10月13日，為186，比10月3日增加了19%，R值為逐漸上升的趨勢，最高值為10月23日的172，比10月3日增加了84.9%。9種植物葉色的CMYK值中，均是Y值相對較高，這與秋季彩葉植物類胡蘿卜素含量增加有一定的關(guān)系，這方面的研究還需進(jìn)一步加強。

2.2 色彩模式R/G值分析

由于植物葉片顏色是一個色彩混合的模式，除了要考慮某一種顏色在葉片中存在的量以外，還要考慮其他相關(guān)顏色在葉片中存在的量。由圖2可以看出，R和G值較高，而B值相對較小，不作重點考慮。所以使用R與G的比值來反映植物葉片中紅色與綠色的色彩模式含量的大小，從而對植物的葉色表達(dá)具有一定的表象意義。當(dāng)二者比值大于1時，說明葉色紅色色彩模式多于綠色，當(dāng)二者比值小于1時，說明葉色紅色色彩模式少于綠色。除金山繡線菊外，多數(shù)秋葉植物隨著時間的變化，R/G值有逐漸升高的趨勢，說明葉色中的紅色模式逐漸升高。但是不同植物R/G值的最高點出現(xiàn)的時間不同。10月8日，百華花楸R/G值最高；10月13日，連翹R/G值最高；10月18日，五葉地錦、金焰繡線菊、山杏R/G值最高；10月23日，茶條槭、火炬樹R/G值最高。

表2 9種植物色彩模式的R/G值分析

2.3 植物葉色變化率分析

關(guān)于秋天和秋葉如何界定，參照施福成等上海秋季植物景觀的研究可知：同一株植物或同一種植物30%及以上的葉片同時開始變色，并且呈現(xiàn)出鮮明亮麗的色彩時，看作秋色出現(xiàn)的標(biāo)志[13]。本研究按上述標(biāo)準(zhǔn)，以葉片同時變色30%作為秋色葉植物開始變色的臨界參考點，當(dāng)葉片變色率達(dá)到60%以上，就認(rèn)為該植物或已具有較好的秋色景觀。

從圖3可以看出，隨著時間的變化，9種秋色葉植物變色率有所變化，但是變色速度不同，不同植物變色速度為山杏>紫丁香>五葉地錦>金焰繡線菊>炬樹>茶條槭>連翹>金山繡線菊>百華花楸。調(diào)查期間，不同植物變色早晚也不同，變色最早的是百華花楸，最晚的是山杏。調(diào)查初期，只有百華花楸、連翹、茶條槭和金山繡線菊變色率超過30%以上，呈現(xiàn)秋色葉標(biāo)志，同時百華花楸和金山繡線菊已經(jīng)具有較好的秋色景觀。說明它們的變色期較早，應(yīng)該提早進(jìn)行調(diào)查，而其他5種植物變色較晚，山杏在調(diào)查初期還沒有變色跡象，調(diào)查中期只有紫丁香還未呈現(xiàn)變色標(biāo)志，其他植物均己變色30%以上，而且在10月18日除紫丁香外，其他植物均已呈現(xiàn)較好的秋色景觀。調(diào)查末期即10月23日除金焰繡線菊外，所有植物均已落葉，調(diào)查截止。適宜的低溫、濕潤的空氣和土壤以及背風(fēng)的環(huán)境則是秋葉保持鮮艷并延長觀賞期的關(guān)鍵[14]。

3 結(jié)論

3.1 秋色葉植物變色率與標(biāo)準(zhǔn)色彩模式的關(guān)系

通過研究發(fā)現(xiàn)，所調(diào)查的9種秋色葉植物中，紫丁香和山杏G值最高，同時二者的植株變色率在調(diào)查期間也較低，說明這2種植物的色素依然以葉綠素為主，使植物呈現(xiàn)綠色為主的現(xiàn)象。其他植物均是R值最高，但是金山繡線菊和茶條槭的R值和G值相差不多，其他植物2值相差較多。所有植物都是K值最低，且變化幅度不大。總的來說，植物的RGB值3條折線走勢基本相同，CMYK值4條折線走勢基本相同，并與RGB走勢相反。RGB值從大到小分別為R、G、B，CMYK值由大到小排序為Y、M、C、K。C、K多數(shù)時候為0，或接近0。說明C值和K值基本可以忽略不計，所以在評價植物葉片色彩時可以以RGB值作為主要的數(shù)據(jù)評價依據(jù)。

以茶條槭為例，在評價葉色時如果單獨考慮R值最高即為最佳觀賞葉片時期，其最佳葉色觀賞期為10月8日至10月13日，但是如果采用R/G值作為參考指標(biāo)的話，其比值最高的時間為10月23日，所以在評價植物葉片色彩觀賞價值時不能只以某種色彩模式為主，應(yīng)該綜合考慮幾種色彩模式中的相關(guān)性，研究植物色彩的最佳觀賞值。如果考慮植物的生理機制，進(jìn)一步研究各類色素比值、R/G值和植物葉片最佳觀賞期之間的關(guān)系會具有一定的意義，但是如何兼顧好植物葉片取相的階段連續(xù)性及色素含量測定的連續(xù)性，是一個值得研究的問題。

RGB值是植物色彩表現(xiàn)的一種量化指標(biāo)，通過研究發(fā)現(xiàn)，葉片的RGB值變化與植物的變色率相關(guān)性不大，因為變色率觀察的是整株變色情況，在植物RGB特征值統(tǒng)計時并不能代表所有植物的變色情況，所以二者的相關(guān)性不大。

3.2 秋色葉植物變色率與溫度的關(guān)系

影響植物變色的因素很多[15-16]，研究表明，夜溫低使林中或植物微環(huán)境相對濕度上升，可增加植物根系吸收利于色葉形成的磷、鉀肥和微量元素，而減少不利于色葉形成的氮元素的吸收[17-18]，光照、水分含量、土壤、溫度等[19-20]也因為影響植物體內(nèi)的某些基因和酶等進(jìn)而影響植物葉色。本研究發(fā)現(xiàn)10月8日相比10月3日溫度有所升高，植物變色速度較快，10月13日時溫度下降，并且最低溫度一直持續(xù)到調(diào)查結(jié)束，只有最高溫度先升高后降低，但是對植物的變色影響不大，植物的變色率一直有所升高。說明彩葉植物在秋季變色與溫度有一定的相關(guān)性，最低溫度在彩葉植物變色率上具有主要作用，最低溫度下降使植物變色加快，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但是最低溫度持續(xù)有一定的期限，當(dāng)達(dá)到某一個臨界期限時植物變色率將不再增加，或者有降低的趨勢，或者導(dǎo)致植物落葉。對于北方來說，溫度是影響秋色葉植物變色率的一個重要因素，但不是絕對因素，還可能與植物所處的位置、光照條件等有關(guān)。本研究中的變色物候僅為2015年觀測的結(jié)果，秋色葉植物變色期在不同年份會因為氣候而有不同的變色時間范圍，但大多數(shù)植物變色順序基本可以了解，可以為秋色葉植物的應(yīng)用配置提供參考依據(jù)。