4種彩葉樹春季葉片轉(zhuǎn)色期色素含量變化研究

孫 健 張鴻翎 韓 濤

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

彩葉植物是指秋色葉植物之外的植物，在春季、夏季和秋季均呈現(xiàn)出不同于綠色的顏色，部分彩葉植物終年均呈現(xiàn)為彩色[1]。彩葉植物獨特的顏色變化、可自由搭配的園林景觀效果和觀賞期較長的優(yōu)點可以很大程度上滿足人們在視覺上對于美的追求[2-3]。在國土綠化、建設(shè)生態(tài)文明的實踐中，彩葉化和珍貴化是樹種選擇的關(guān)鍵指標(biāo)，被許多地方認(rèn)定為生態(tài)功能和景觀價值的重要元素[4]。紅葉石楠（Photinia serrulata）在春季葉綠素含量低，花色素苷含量高，葉色為紅色；葉片由紅轉(zhuǎn)綠過程中花色素苷含量逐漸減少，而光合色素含量則逐漸增多[5]。柳葉櫟（Quercus phellos）在轉(zhuǎn)色期以黃色為主，葉片內(nèi)花色素苷含量增加變化幅度較小，類胡蘿卜素含量增加幅度較大[6]。張振宇等[7]研究表明，‘金薇’（Lagerstroemiaindica）總?cè)~綠素/類胡蘿卜素的變化是導(dǎo)致其黃葉形成的直接原因。植物色彩作為園林植物景觀的重要觀賞特征之一，其搭配運用的和諧、美觀，直接影響著景觀質(zhì)量的高低[8]。在以往園林景觀植物配置中多傾向于不同樹種生長習(xí)性方面的搭配，忽略了色彩的重要性，整體園林景觀觀賞效果較差。因此，為更好的將彩葉植物應(yīng)用于園林景觀中，探究其呈色機理顯得極為重要。

本研究以在內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)4種不同彩葉樹種金葉復(fù)葉槭（Acer negundo）、紅葉榆葉梅（Amygdalustriloba）、金葉榆（Ulmus pumila）和紫葉李（Prunuscerasifera）為研究對象，對其春季葉片變色情況進行觀測記錄，并對變色過程中葉片內(nèi)的色素含量進行測量，比較并分析了葉綠素、類胡蘿卜素、花色素苷含量、細(xì)胞液pH的變化以及各觀測時段的葉色參數(shù)與葉片呈色的關(guān)系。該研究為進一步研究彩葉植物的呈色機理并為園林景觀設(shè)計中的合理應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

所選取的研究材料為2021年內(nèi)蒙古呼和浩特市春季5—6月生長良好、長勢一致、無明顯病蟲害的樹種各10株。取樣周期為7～9 d，晴天采樣，每樹種隨機選取向陽面的完整葉片（約30片），將其置于-80℃超低溫冰箱保存待測。

1.2 測定指標(biāo)和方法

1.2.1 葉綠素a/b及類胡蘿卜素測定方法

用95%乙醇溶液室溫避光條件下浸提24 h后用分光光度計測定665、649、470 nm處的吸光值，分別用OD665、OD649和OD470表示[9]。重復(fù)3次測定。按公式（1）～（5）計算葉綠素a濃度（Chl a）、葉綠素b濃度（Chl b）、葉綠素濃度（Chl）、類胡蘿卜素濃度（Car）。

式中：A為色素含量、V為提取液總體積、W為樣品質(zhì)量。

1.2.2 花色素苷測量方法

用0.1 mg/L鹽酸溶液室溫避光條件下浸提24 h，分光光度計測定在530 nm處的吸光度值OD530[9]，重復(fù)3次測定。以O(shè)D530值為0.1時的花色素苷濃度為1個單位，按公式（6）計算花色素苷含量（B）。

1.2.3 葉色參數(shù)測量方法

測定葉色參數(shù)的值參照白新祥等[10]、Tatsuzawa等[11]的方法。將采集的葉片掃描在Adobe Photoshop CS 6中，并在拾色器中調(diào)至Lab模式，記錄葉片L*（光澤明亮度，L*值越大則亮度越高）、a*（紅、綠2種顏色，a*值越大，表示紅色越深，反之表示綠色越深）、b*（黃、藍(lán)2種顏色，b*值越大，表示黃色越深，反之藍(lán)色越深）的值。

1.2.4 細(xì)胞液pH值測定

準(zhǔn)確稱取0.1 g葉片，加入10 mL蒸餾水研磨成勻漿，以該勻漿pH值代表葉片細(xì)胞液的pH值，并用pH計測定，重復(fù)3次試驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel軟件進行圖表整理分析，用SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片光合色素含量變化特征

由圖1可知，紅葉榆葉梅和紫葉李的葉綠素a含量整體變化趨勢大致相同，呈升高—降低—升高的趨勢。5月初期上升幅度較大且都在生長初期葉綠素a含量最低，分別為0.53 mg/g和0.24 mg/g；5月中旬到6月上旬葉綠素a下降較明顯，均下降30%。金葉復(fù)葉槭和金葉榆葉綠素a含量變化幅度均較小，5—6月呈緩慢上升趨勢，均在6月初期達(dá)到最高值，葉綠素a含量分別為0.29 mg/g和0.13 mg/g，整體差異不顯著。

圖1 葉綠素a含量隨時間變化Fig.1 Variation of chlorophyll a content with time

由圖2可知，所測的4種彩葉樹種的葉綠素b含量變化與葉綠素a含量變化有大致相同的趨勢，但其含量相對較低。紅葉榆葉梅和紫葉李變化趨勢基本相同，但紅葉榆葉梅整體含量高于紫葉李，且二者同樣在生長初期葉綠素b含量最低，分別為0.17 mg/g和0.13 mg/g，6月后都呈上升趨勢；金葉復(fù)葉槭和金葉榆5—6月整體都呈緩慢下降趨勢，均在6月初期出現(xiàn)最低值為0.01 mg/g，6月下旬二者葉綠素b含量呈緩慢上升趨勢，總體變化不明顯。

圖2 葉綠素b含量隨時間變化Fig.2 Variation of chlorophyll b content with time

由圖3可知，4種彩葉樹種的類胡蘿卜素含量均在生長初期出現(xiàn)最低值，金葉復(fù)葉槭為0.06 mg/g，紅葉榆葉梅為0.05 mg/g，金葉榆為0.04 mg/g，紫葉李為0.06 mg/g。4種樹種類胡蘿卜素含量均在5月初期長勢迅速，金葉復(fù)葉槭較生長初期類胡蘿卜素含量上升了283.3%；紅葉榆葉梅含量上升了825.0%；金葉榆上升了500.0%；紫葉李上升了450.0%。紅葉榆葉梅與紫葉李含量變化趨勢相似，5月上旬到6月上旬緩慢下降，并在6月下旬呈上升趨勢。金葉復(fù)葉槭與金葉榆的含量變化趨勢相似，自生長初期含量上升達(dá)到最高值后，隨時間變化二者類胡蘿卜素含量均平緩下降。

圖3 類胡蘿卜素含量隨時間變化Fig.3 Change of carotenoid content with time

由圖4可知，所測的4種樹種葉綠素總量與葉綠素a含量變化同步。紅葉榆葉梅與紫葉李葉綠素總量均呈低—高—低—高變化，且在生長初期總量最低，分別為0.70 mg/g和0.38 mg/g；其中紅葉榆葉梅在6月末葉綠素總量達(dá)到最高值為1.48 mg/g，紫葉李則在5月上旬達(dá)到最高值為1.11 mg/g，二者的最高值比最低值分別增加了114.2%和192.1%。金葉復(fù)葉槭與金葉榆葉綠素總量在5月均平緩下降，6月上旬上升且出現(xiàn)最高值，分別為0.32 mg/g和0.14 mg/g；6月中下旬開始緩慢下降，整體變化幅度不大。

圖4 葉綠素總量隨時間變化Fig.4 Variation of total chlorophyll with time

2.2 花色素苷含量變化特征

由圖5可知，紅葉樹種的花色素苷相對含量整體高于金葉樹種。其中金葉復(fù)葉槭和金葉榆的花色素苷含量雖整體變化不大，但也一直處于平緩下降趨勢，金葉復(fù)葉槭最高值出現(xiàn)在5月下旬為2.7 mg/g，最低值出現(xiàn)在6月末為0.8 mg/g。金葉榆最高值出現(xiàn)在6月初為2.6 mg/g，最低值在6月末，為1.1 mg/g。紅葉樹種花色素苷含量整體呈高—低—高—低的‘M’型走勢；紅葉榆葉梅2次最高值出現(xiàn)在5月初和6月中旬，分別為8.1mg/g和8.0 mg/g；紫葉李2次峰值出現(xiàn)在5月中旬和6月下旬，分別為16.8 mg/g和14.5 mg/g。

圖5 花色素苷相對含量隨時間變化Fig.5 Variation of anthocyanin relative content with time

2.3 葉色參數(shù)隨時間變化的特征

由圖6 a可知，金葉樹種在生長季L*值處于下降趨勢，亮度逐漸變暗，5月初期剛剛萌發(fā)，葉片較為幼嫩，二者葉片均為金黃色，此時的L*值最大，分別為69和67，而后5月中下旬及6月二者葉片顏色變化較小，L*值下降平緩，趨勢平穩(wěn)，金葉榆L*值穩(wěn)定在60左右，金葉復(fù)葉槭L*值則穩(wěn)定在55左右。紅葉樹種變化差異不顯著，變化幅度小較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)高—低—高—低的變化趨勢，紅葉榆葉梅在5月下旬L*值最大為27，紫葉李則在5月上旬出現(xiàn)最大值為35，二者L*值均在5月下旬開始緩慢下降，穩(wěn)定在22左右。

由圖6 b可知，金葉復(fù)葉槭的a*值在變色期間變化幅度較小，在-5左右浮動變化，最低值為-8。金葉榆a*值變化呈緩慢上升趨勢，由于在生長初期葉片顏色為亮黃色，其a*值在初期出現(xiàn)最低值為-12，而后隨著時間變化，葉片顏色由明黃逐漸變暗a*值也呈現(xiàn)出平緩上升趨勢，最高值出現(xiàn)在6月下旬為-4。紅葉榆葉梅在生長初期嫩葉的葉色為鮮紅色，所以a*值在初期達(dá)到最高值為16，隨著葉色加深，a*值緩慢下降，在6月中旬出現(xiàn)最低值為3。紫葉李的a*值較其他3種植物變化幅度較大呈先上升后下降的趨勢，最高值17出現(xiàn)在葉色呈現(xiàn)最紅的5月下旬，6月末出現(xiàn)最低值為3。

由圖6 c可知，金葉復(fù)葉槭葉片生長初期黃色程度較深，所以在生長初期其b*值達(dá)到最大值為70，在生長季過程中，金葉復(fù)葉槭的b*值一直處于緩慢下降趨勢，在6月末達(dá)到最低值50，較最高值下降28.5%。金葉榆b*值走勢與金葉復(fù)葉槭基本相同，都呈緩慢下降趨勢。金葉榆在5月中旬出現(xiàn)最高值為73，同時也在6月末達(dá)到最低值60，較最高值下降17.8%。紅葉榆葉梅b*值走勢呈先降低后平緩上升，但變化程度不明顯，其最大值出現(xiàn)在在生長初期為13，而后一直穩(wěn)定在10左右。紫葉李b*值走勢先升高后下降，最低值出現(xiàn)在生長初期為6，最高值15出現(xiàn)在6月初，比最低值升高150%，6月下旬又出現(xiàn)升高趨勢，整個變色期b*值也較為穩(wěn)定。

圖6 葉色參數(shù)隨時間變化Fig.6 Variation of leaf color parameterswith time

2.4 細(xì)胞液p H值隨時間變化的特征

由圖7可知，隨時間變化金葉復(fù)葉槭在春季變色期間pH值先升高后降低，之后趨于平穩(wěn)，在6月末有上升趨勢，其最高值出現(xiàn)在5月上旬為4.86，最低值在6月上旬為3.35，較最高值下降31.1%。金葉榆整體pH值比金葉復(fù)葉槭的高，但細(xì)胞液也都呈酸性，呈先下降后上升的趨勢，6月中旬達(dá)到最低值為5.59，較5月初出現(xiàn)最高值6.96下降了19.7%。紅葉榆葉梅整個變色期間細(xì)胞液pH都呈緩慢下降的變化趨勢，5月份下降最顯著出現(xiàn)最高值為6.30，最低值為4.55。紫葉李細(xì)胞液pH呈先降低后升高變化趨勢，5月初出現(xiàn)最高值為5.38，最低值3.87出在6月初出，較最高值下降28.1%。

圖7 細(xì)胞液p H值隨時間變化Fig.7 Changes of pH valueof cell fluid with time

2.5 4種植物葉片轉(zhuǎn)色期葉色參數(shù)與各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由表1可知，2種金葉植物的L*值與葉綠素總量表現(xiàn)出極明顯負(fù)相關(guān)性（P＜0.01）且與類胡蘿卜素、花色素苷和細(xì)胞液pH表現(xiàn)出極明顯的正相關(guān)性（P＜0.01），a*值與各生理指標(biāo)無明顯相關(guān)性，b*值與葉綠素總量、類胡蘿卜素和細(xì)胞液pH也呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)（P＜0.05），說明在春季葉片轉(zhuǎn)色初期金葉復(fù)葉槭和金葉榆的葉綠素含量低，而類胡蘿卜素和花色素苷的含量高，在它們共同作用下使得這2種金葉樹種在生長初期的葉片呈現(xiàn)出金黃色，L*和b*也出現(xiàn)最大值。2種紅葉樹種的a*值與葉綠素總量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），紅葉榆葉梅a*與花色素苷呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與細(xì)胞液pH呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；紫葉李a*與花色素苷呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），L*和b*均與細(xì)胞液pH呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），其余各項指標(biāo)與葉色參數(shù)均沒有顯示出明顯的相關(guān)性。由此可見，2種紅葉樹種的呈色與花色素苷含量和葉綠素含量有關(guān)系，其呈色決定著a*值的大小。

表1 轉(zhuǎn)色期葉色參數(shù)與各指標(biāo)間皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table1 Pearson correlation coefficient between leaf color parametersand indexesat color transition stage

3 結(jié)論與討論

植物葉片中含有不同色素種類、各色素含量的變化和不同比例分布，使得葉片形成了不同的顏色[12]。本研究中，從5—6月期間4種彩葉植物的葉綠素、類胡蘿卜素和花色素苷含量均呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。金葉復(fù)葉槭和金葉榆在春季生長初期類胡蘿卜素含量較高，葉綠素含量低，使葉片呈現(xiàn)出金黃色。隨時間推移，類胡蘿卜素含量逐漸降低而葉綠素含量逐漸增加，使葉色明亮度和葉片黃色程度逐漸減弱。并且，春秋晝夜溫差大加快花色素苷的合成，由于葉綠素含量較低且合成能力弱，此時花色素苷含量占據(jù)主導(dǎo)地位，使葉片表現(xiàn)出紫紅色，而夏季氣溫高，光照強，花色素苷降解快，紫紅色也逐漸減弱[13-14]。姜晶等研究的紫雨樺在5月初新生葉片呈暗紫色，與葉片高含量的花色素苷有關(guān)[15]。本研究中紅葉榆葉梅和紫葉李在春季生長初期葉片呈現(xiàn)出紅色是由于花色素苷含量增加和葉綠素與類胡蘿卜素含量降低而導(dǎo)致的，而后隨時間推移花色素苷合成能力減弱，其含量呈下降趨勢，所以2種紅葉樹種的紫紅色都逐漸減弱且紅葉榆葉梅出現(xiàn)復(fù)綠現(xiàn)象。這與Luo等[16]研究的牡丹品種‘滿園春色’的結(jié)果一致。本研究用L*、a*和b*值表示葉色的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)在春季2種金葉樹種具有較高的類胡蘿卜素才會使葉片呈現(xiàn)黃色，L*與b*值也隨之升高，而各色素含量與a*沒有相關(guān)性。2種紅葉樹種呈現(xiàn)出紫紅色與花色素苷和葉綠素含量有關(guān)系且影響著a*值的大小，色素含量與L*和b*值均無明顯相關(guān)性。因此，色素含量的多少是影響葉片呈色的主要因素。

本研究同時對前人研究較少的細(xì)胞液pH值進行研究。細(xì)胞液pH值影響花色素苷表現(xiàn)[17-19]?；ㄉ剀赵诩?xì)胞液pH值小于7時呈現(xiàn)紅色，pH值大于7時呈現(xiàn)藍(lán)色，只有當(dāng)其含量占主導(dǎo)優(yōu)勢時，才會呈現(xiàn)出花色素苷的顏色[20]。雖然2種金葉樹種的細(xì)胞液pH始終小于7，但葉片均未呈現(xiàn)出紅色，表明花色素苷含量在各色素含量中沒有占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，進而未起到主導(dǎo)作用，但其含量升高對于金葉樹種呈現(xiàn)出黃色有抑制作用。紫葉李花色素苷含量始終大于紅葉榆葉梅，所以紫葉李葉片顏色較深，而紅葉榆葉梅葉片紫紅色相對較淺且出現(xiàn)復(fù)綠現(xiàn)象，而2種紅葉樹種的細(xì)胞液pH值始終小于7，葉綠素合成較低，由此可以看出，花色素苷占主導(dǎo)地位，使葉片呈現(xiàn)出紫紅色。

本研究就4種彩葉樹種在春季葉色轉(zhuǎn)色期的葉色表現(xiàn)、相關(guān)色素含量變化及其相關(guān)性比較分析可知，葉色發(fā)生變化是由于葉片內(nèi)各色素含量的比例發(fā)生了改變，其中，葉綠素、類胡蘿卜素和花色素苷的含量變化對于葉片呈色都有直接的影響，并且，細(xì)胞液pH影響花色素苷顏色表現(xiàn)，進而影響植物葉片呈色。

綜上可知，金葉復(fù)葉槭和金葉榆最佳觀賞期為5—6月，春季長出葉芽嫩黃色，至夏初葉片金黃色加深，后期葉片均有復(fù)綠趨勢，觀賞度降低；紅葉榆葉梅初生嫩葉為紫紅色，春季觀賞效果最佳，而后有些葉片變綠，觀賞效果降低；紫葉李為彩葉常色樹種，隨時間推移葉片顏色逐漸加深，觀賞價值較高。此外，植物葉片呈色還受植物葉片結(jié)構(gòu)、葉綠體發(fā)育活動[21]、植物光合特性[22]以及外界環(huán)境[23]的影響，后期試驗可以進一步探究這些因素影響彩葉植物的呈色機理，以期為延長彩葉植物觀賞期與增強植物配置中的色彩豐富度，提供技術(shù)支持與理論依據(jù)。