土壤盐碱对彩叶树叶片主成分影响的红外光谱分析

张伟龙，李雕，杨静慧，李蕊，冯国华，王兴，张超

土壤盐碱对彩叶树叶片主成分影响的红外光谱分析

张伟龙1，李雕1，杨静慧1,通信作者，李蕊1，冯国华2，王兴2，张超3

（1. 天津农学院 园艺园林学院，天津 300384 ；2. 天津市公路局直属处，天津 300074；3. 天狮学院，天津 301700）

为快速鉴定彩叶植物在盐碱地上的适应性，以8种彩叶植物为试材，用傅里叶变换红外光谱（FTIR）方法，研究不同盐碱地对彩叶植物叶片主成分含量的影响。结果表明：彩叶树叶片的主要成分为糖类、蛋白质、脂类三大类物质。随着土壤盐碱的加重，官能团C――H、糖环所对应的糖类物质含量增加的为金叶槐、金叶女贞，下降的为金叶榆、紫叶矮樱、红叶碧桃、紫叶小檗；官能团C――O、C――C所对应的糖类物质增加的为金叶女贞，下降的为紫叶李、紫叶矮樱、紫叶小檗。紫叶矮樱叶片中官能团C――O所对应的蛋白质（酰胺Ⅲ带）含量减少；金叶槐、金叶女贞、紫叶李、紫叶矮樱、太阳李、红叶碧桃官能团C＝＝O对应的蛋白质（酰胺Ⅰ带）含量呈先增加后减少的趋势；金叶榆、紫叶矮樱、红叶碧桃叶片中中官能团C――H对应脂类物质含量减少，紫叶小檗脂类物质含量增加。

土壤盐碱；彩叶树；红外光谱；耐盐性

傅里叶变换红外光谱技术是一种传统的分子结构分析手段，能够反映出特定分子官能团的振动模式，具有较好的指纹特性[1]。由于操作简单、灵敏度高、无损、制样简单、用样少、重复性好等优点被广泛应用于石油、农业、医药、材料、化工等多个领域[2]。农业上红外光谱较多应用于区分植物种类方面，王小龙[3]利用傅里叶变换红外光谱法结合化学计量有效区分了不同稻谷和小米样品。张方达[4]借助红外光谱技术区分了7种酸枝木材。李雕等[5]比较金边吊兰和普通吊兰的成分，发现红外光谱技术可以用于植物品种鉴定。随着研究深入，红外光谱技术也开始用于草本植物耐盐性研究。杨静慧等[6]通过红外光谱技术成功鉴定了青睐苜蓿和青睐苜蓿耐盐突变体。任卫波等[7]提出了一种用近红外指纹光谱快速鉴别紫花苜蓿品种耐盐性的方法。

目前，关于红外光谱对彩叶树对盐碱土壤的适应性研究报道较少。本文通过红外光谱、二阶导数红外光谱，分别对天津市不同盐碱地区常见的8种彩叶植物叶片成分进行了红外光谱差异性分析，以期为彩叶树耐盐性的快速鉴定提供理论依据。

1 材料与方法

试验材料紫叶李、紫叶矮樱、太阳李、红叶碧桃、金叶榆、金叶槐、紫叶小檗、金叶女贞分别栽植于非盐渍区（天津武清区陈咀镇的天津市公路苗木繁殖中心苗圃，pH 7.0～7.6，总盐量为0.12%～0.20%）、轻度盐渍化区（天津西青区津静路、海泰大道绿化带，pH 7.8～8.8，总盐量为0.22%～0.28%）和中度盐渍化区（天津滨海新区津塘公路、东江路、河北路、泰华路绿化带，pH 8.2～9.3，总盐量为0.30%～0.60%）3个区域。紫叶小檗和金叶女贞为带状栽植，紫叶李、紫叶矮樱、太阳李等小乔木栽植株行距3 m×3 m，其余树种栽植株行距5 m×5 m。

通过S型取样法每个树种选择15个植株，3次重复。选取上方枝条中部的成熟叶片，每株采集10片叶子。洗净、烘干至恒重，研磨过200目筛，按样品和溴化钾1∶100的比例混合研磨、压片，用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，Frontier型，光谱范围4 000～400 cm-1）进行红外光谱扫描。

采用Excel 2007和SPSS19.0统计软件对测量指标数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同彩叶树叶片红外光谱吸收峰及其所对应的物质

表1为8种彩叶树叶片红外光谱吸收峰对应的官能团和物质。紫叶小檗在1 277 cm-1有由蛋白质中C＝＝O、C――O――C伸缩振动所产生吸收峰；除金叶女贞、紫叶小檗外，其余树种在1 313 cm-1处有由草酸钙物质中C――H伸缩振动所产生的吸收峰。红叶碧桃、太阳李、紫叶矮樱、紫叶李在1 378 cm-1处有由纤维素、木质素物质（甲基、亚甲基、CH3剪式）伸缩振动所产生的吸收峰；金叶榆在1 410 cm-1处有由羧酸类物质中的OH伸缩振动所产生的吸收峰；除金叶榆外其余树种在 1 443 cm-1有由蛋白质中苯环骨架振动所产生的吸收峰；红叶碧桃、太阳李、紫叶矮樱、紫叶小檗、紫叶李在1 526 cm-1有由蛋白质（酰胺Ⅱ区）中N――H、C――N所产生的吸收峰；紫叶李在1 615cm-1有由蛋白质中C＝＝O双键产生的吸收峰；在600、1 060、1 250、1 650、1 735、2 930、3 350 cm-1处，8种彩叶树有对应的吸收峰。综合可知，8种彩叶树叶片中均含有多糖、蛋白质、脂类、羧酸类、草酸钙、烷烃类、饱和烃类、有机卤化物等成分，但红叶碧桃、太阳李、紫叶矮樱、紫叶李比其他彩叶树具有更多的蛋白质物质，紫叶小檗与金叶女贞比其他彩叶树具有更多的脂类物质。

表1 不同彩叶树叶片红外光谱吸收峰及其所对应的物质

注：表中（1）金叶榆；（2）金叶女贞；（3）金叶槐；（4）红叶碧桃；（5）太阳李；（6）紫叶矮樱；（7）紫叶小檗；（8）紫叶李

2.2 不同彩叶树叶片二阶导数红外光谱图中的吸收峰

由表2可知，经二阶导数图谱法处理后，重叠峰主要出现在600～2 000 cm-1波段，较一维红外光谱，紫叶小檗多了10个吸收峰，金叶槐多了9个峰，金叶榆、金叶女贞多了8个峰，红叶碧桃、太阳李、紫叶矮樱、紫叶李多了7个吸收峰。从二阶导数红外图谱中看到，7个共有的峰是708 cm-1的碳水化合物、773 cm-1的木质素、832 cm-1的糖类、890 cm-1的蛋白质、1 160 cm-1的脂类、1 375 cm-1的纤维素物质、1 540 cm-1的蛋白质（酰胺Ⅱ区）。此外，金叶榆多了一个995 cm-1吸收峰（C＝＝O糖类物），金叶槐多了954 cm-1（糖环骨架）、 1 015 cm-1（淀粉类物质）吸收峰，紫叶小檗多了970、1 604、1 786 cm-1吸收峰，（C＝＝O糖类物、酚类分子苯环骨架和脂类）。6种乔木类彩叶树在 1 315 cm-1处有C――H官能团和草酸钙物质的吸收峰，而2种小灌木在此处无吸收峰，说明木本植物含草酸钙多，灌木较少甚至没有。

表2 二阶导数红外光谱图（600～2 000 cm-1）中不同彩叶树叶片的吸收峰

2.3 不同类型盐碱地金叶榆叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图1A中可以看出，不同土壤盐碱度对金叶榆叶片红外光谱没有影响。图1B对金叶榆重叠峰波段600～1 960 cm1进行二阶导数处理，可以看出金叶榆二阶导数红外光谱在峰位、峰型上基本一致，但峰强存在差异，896～920 cm-1双峰、1 000 cm-1（糖类物质糖环骨架、C――O伸缩振动吸收峰）、1 320 cm-1（草酸钙物质中C――H伸缩振动吸收峰）、1 390 cm-1（脂类物质中C――H弯曲振动峰）附近的吸收峰峰强度均随着土壤盐碱度的增加而减弱，说明土壤盐碱度的增加会抑制金叶榆植物叶片中糖类、黄酮类、草酸钙、脂类物质的积累。

图1 A. 不同盐碱地金叶榆叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B. 不同盐碱地金叶榆叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

2.4 不同类型盐碱地金叶槐叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图2A可以看出，不同土壤盐碱度对金叶槐叶片红外光谱没有影响。如图2B对600～1 960 cm-1进行二阶导数处理后，峰强、峰型存在差异，从图中可以看出，672 cm-1（碳水化合物物质中 C――H弯曲振动峰）附近的吸收峰随着土壤盐碱度的增加逐渐增加，说明土壤盐碱度的增加会增加金叶槐植物叶片中糖类物质的积累；1 320cm-1（草酸钙物质中C――H伸缩振动吸收峰）附近的吸收峰随着土壤盐碱度的增加而减弱，说明土壤盐碱度的增加会抑制金叶槐植物叶片中草酸钙物质的积累；1 450 cm-1（苷类物质中芳环骨架振动吸收峰）附近的吸收峰随着盐碱度的增加，峰强减弱；1 520 cm-1（蛋白质酰胺Ⅱ带物质中（N――H）弯曲振动吸收峰）附近的吸收峰随着盐碱度的增加，峰强也随着增强；1 660 cm-1（蛋白质酰胺Ⅰ带物质中酰胺键C＝＝O伸缩振动吸收峰）附近的吸收峰会随着盐碱度的增加，峰先变宽，后变窄，说明土壤盐碱度增加会改变金叶槐植物叶片中蛋白质类物质含量。

图2 A. 不同盐碱地金叶槐叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B. 不同盐碱地金叶槐叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

2.5 不同类型盐碱地金叶女贞叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图3A可以看出，不同土壤盐碱金叶女贞叶片红外光谱图只有1 730 cm-1附近的吸收峰的峰强存在差异，中度盐碱地与非盐碱地上1 730 cm-1附近的吸收峰强于轻度盐碱地。非盐碱地叶片中脂类物质的含量低于轻度、中度盐碱地。二阶导数图谱看出峰位一致，峰型与峰强存在差异，704 cm-1（淀粉中糖环振动吸收峰）、952 cm-1（蔗糖中C＝＝O伸缩振动吸收峰）、附近的吸收峰随着盐碱度的增加，峰强也随着增强，说明土壤盐碱增加会增加金叶女贞植株叶片中糖类物质的积累。1 620 cm-1（芳香环骨架振动吸收峰）附近的吸收峰随着盐碱度的增加，峰型变窄，峰强变强，说明土壤盐碱度的增加会增加金叶女贞植株叶片中蛋白质类物质的积累。

图3 A. 不同盐碱地金叶女贞叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B. 不同盐碱地金叶女贞叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

2.6 不同类型盐碱地紫叶李叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图4可以看出，不同土壤盐碱紫叶李红外光谱图只有1 250 cm-1（蛋白质酰胺Ⅲ区C――N、C――O伸缩振动所产生的吸收峰），1 320 cm-1（草酸钙物质中C――H伸缩振动所产生的吸收峰）附近的吸收峰的峰型、峰强存在差异，且随着盐碱浓度的增加，峰强逐渐变变弱，说明土壤盐碱度会改变紫叶李叶片中蛋白质、碳酸钙物质的代谢。从二阶导数看出，960、1 030、1 320 cm-1附近的吸收峰的峰强随着土壤盐碱度的增加而减弱，说明土壤盐碱度的增加会抑制糖类、草酸钙物质在紫叶李叶片中的积累；1 640 cm-1附近的吸收峰在中度盐碱地、非盐碱地峰型、峰强一致，但轻度盐碱地峰强变弱，峰型变宽，说明轻度盐碱对紫叶李植株叶片中蛋白质含量有影响。

图4 A. 不同盐碱地紫叶李叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B. 不同盐碱地紫叶李叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

2.7 不同类型盐碱地紫叶矮樱叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图5中可以看出，不同盐碱地紫叶矮樱1 250、1 320、1 530 cm-1峰强存在差异，3处的吸收峰随着土壤盐碱地的降低，峰强先升高后减弱，尤其是蛋白质物质所对应的吸收峰。二阶导数红外光谱，780、822、888、960、1 030、1 100、1 160、1 240、1 320、1 380、1 650 cm-1附近的吸收峰的峰强均随着土壤盐碱度的降低而增强，其中960 cm-1附近的吸收峰在中度盐碱地上没有，1 100 cm-1附近的吸收峰只有非盐碱地有。可以看出土壤盐碱度对紫叶矮樱叶片的主要成分都有影响，表明紫叶矮樱对土壤盐碱地变化反应较大，比较敏感。

2.8 不同类型盐碱地太阳李叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图6中可以看出，不同盐碱地太阳李叶片的红外光谱非盐碱地比中度盐碱地和轻度盐碱地多了一个1 312 cm-1吸收峰。二阶导数红外光谱中可以看出峰型与峰强存在差异。774、965、1 030、1 320 cm-1附近的吸收峰随着土壤盐碱度的增加峰强变弱，说明随土壤盐碱度的增加会抑制太阳李叶片中糖类、草酸钙物质的积累；1 650 cm-1附近的吸收峰在非盐碱地与中度盐碱地基本一致，轻度盐碱地峰型变宽，峰强减弱，说明轻度盐碱对紫叶李植株叶片中蛋白质含量有影响。

图6 A. 不同盐碱地太阳李叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B. 不同盐碱地太阳李叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

2.9 不同类型盐碱地红叶碧桃叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图7可以看出，不同盐碱地红叶碧桃叶片红外光谱，只有两个吸收峰1 320、1530 cm-1的峰强有一点差异，这两个吸收峰随着土壤盐碱度的减弱而增强。二阶导数红外光谱图看出，820、872 cm-1片中官能团C――H、糖环所对应的糖类物质附近的吸收峰随着盐碱度的增加峰强逐渐减弱，说明土壤盐碱度的增加会抑制红叶碧桃植株叶片中官能团C――O、C――C糖类物质的积累；1 320、1 380 cm-1附近的吸收峰随着土壤盐碱度的增加而减弱，说明土壤盐碱度的增加会抑制草酸钙、脂类物质在红叶碧桃叶片中的积累；1 660 cm-1附近的吸收峰随着土壤盐碱度的减弱峰强逐渐增强，说明轻度盐碱对红叶碧桃植株叶片中蛋白质含量有影响。

图7 A.不同盐碱地红叶碧桃叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B.不同盐碱地红叶碧桃叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

2.10 不同类型盐碱地紫叶小檗叶片红外光谱及二阶导数红外光谱比较

从图8可以看出，不同盐碱地紫叶小檗叶片的红外光谱图差异较小。二阶导数图谱差异较大，904、976、1 040、1 120、1 160 cm-1附近的吸收峰随着盐碱度的增加峰强逐渐变弱，说明土壤盐碱度的增加会抑制紫叶小檗叶片中糖类物质的积累；1 380、1 730、1 790 cm-1附近的吸收峰的峰型随着盐碱度的增加峰型变窄，峰强变强，说明土壤盐碱度的增加会增加紫叶小檗叶片中脂类物质的 积累。

图8 A. 不同盐碱地紫叶小檗叶片红外光谱图（400～4 000 cm-1）B. 不同盐碱地紫叶小檗叶片二阶导数红外光谱图（600～1 960 cm-1）

3 讨论

程士超等[8]、Guo等[9]、Qu等[10]、邱璐等[11]均认为利用红外光谱可以进行植物叶片成分研究。本文通过一维和二阶导数红外光谱综合分析得出，彩叶树叶片中主要成分为糖类、蛋白质、脂类三大类物质，有的品种还含有一些草酸钙、羧酸类物质，与前人研究一致[12-13]。

植物细胞内糖类和脂类物质的积累有利于植株适宜盐碱胁迫[14-15]。本试验中金叶槐、金叶女贞、紫叶小檗耐盐碱性较强，与赵丹华[15]、黄妍等[16]研究一致。不同盐碱地上彩叶树叶片中主成分物质变化不一样，可能与植物应对土壤盐碱胁迫的方式不同有关。有的植物是通过调节糖类代谢，有的植物是通过调节脂类代谢等来应对盐碱胁迫，还有的可能通过调节一些微量物质来应对胁迫。由于植物的生理较复杂，植物如何应对土壤盐碱胁迫的内在机制还有待进一步研究。

本研究还发现了各彩叶植物都有其特异的吸收峰，如金叶榆在995 cm-1、紫叶小檗在1 277cm-1各有一个独有的吸收峰，这些都可作为彩叶树品种特性，用于品种识别和鉴定。

4 结论

红外光谱图和二阶导数图谱分析显示，彩叶树叶片中主要成分为糖类、蛋白质、脂类三大类物质。糖类物质中官能团所对应的吸收峰的峰强随着土壤盐碱度的增加而降低（除金叶槐、金叶女贞外），脂类物质也随之降低（除紫叶小檗），而蛋白质类则先增加后降低。可将叶片内这些主成分作为植物耐盐性指标，为评价彩叶植物在盐碱地的适应性提供依据。

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Infrared spectroscopy analysis of effects of different soil salinity on salt tolerance of 8 color-leaf trees

ZHANG Wei-long1, LI Diao1, YANG Jing-hui1,Corresponding Author, LI Rui1, FENG Guo-hua2, WANG Xing2, ZHANG Chao3

（1. College of Horticulture and Landscape, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2.Tianjin Municipal Highway Bureau,Tianjin 300074, China; 3. Tianshi College, Tianjin 301700, China）

In order to quickly identify the adaptability of color-leaf plants on saline-alkali soil, eight kinds of colorful leaf plants were used as materials to study the effects of different saline-alkali soils on the main components of color-leaf leaves. The results showed that the main components of the leaves ofwere sugar, protein and lipid. With the increase of soil salinity, the content of carbohydrates corresponding to functional group C――H and sugar ring increased byand, and decreased bycv ‘Jinye’,×N,f, andvar; The increase of the carbohydrates corresponding to functional group C――O and C――C is in the, and the drop is in,×N, andvar. The content of the protein（amide Ⅲ band）corresponding to the functional group C――O in the×N. decreased; the protein corresponding to the functional group C＝＝O of the,,×N,f,var. andincreased firstly and then decreased. The content of lipids in the functional group C――H of thecv Jinye,×N andf. decreased, and the content ofvar. increased.

soil saline; color-leaf trees; infrared spectroscopy; salt tolerance

1008-5394（2020）03-0007-07

10.19640/j.cnki.jtau.2020.03.002

S687.36

A

2019-11-25

天津市林果现代农业产业技术体系创新团队项目（ITTFPRS2018002）；天津市科学技术局特派员项目（17ZXBFNC00310）；天津市重大农业技术推广项目（2017CK0184）

张伟龙（1993-），男，硕士在读，主要从事园艺植物栽培生理研究。E-mail：18322711826@163.com。

杨静慧（1961-）女，教授，博士，主要从事园艺植物栽培和生理生化研究。E-mail：jinghuiyang2@aliyun.com。

责任编辑：杨霞