土壤水分对乌桕秋叶生理指标及观赏效果的影响1)

吴飞洋 柳新红 王成龙 吕江波 张丽芳 李因刚

(浙江省林业科学研究院，杭州，310023)(浙江省建德市林业局)(浙江省林业科学研究院)

乌桕(Triadicasebifera(Linnaeus) Small.)为大戟科(Euphorbiaceae)乌桕属(Triadica)高大落叶乔木，树高可达15 m，树干挺拔，叶形独特，在主产区常被称为木子树、桕子树[1]。乌桕天然分布于中国、日本及越南，在我国主要分布在黄河以南各省区，北达陕西、甘肃[2]。乌桕资源丰富，喜光喜水，多生长于塘边、溪旁、旷野和向阳的山坡等地[3]。近年来，科研人员主要在乌桕抗逆、遗传学等方面进行了大量研究[4-9]，其叶片生理活性和药理作用研究也有报道[10-11]。同时，乌桕作为工业原料树种可应用于油漆和制皂等生产中，还可用来制备类可可脂和生物柴油[11-14]。

乌桕也是重要的秋色叶树种，叶色从亮黄到红紫变化丰富，观赏价值高，在彩色森林构建和园林景观造景中的应用也越来越多。彩叶植物丰富的叶色变化除受自身遗传基因决定外，外部生态环境因子也对其产生重要影响。土壤水分是植物生长的重要条件，有研究发现干旱或淹水胁迫对乌桕幼苗生长造成影响，但其能通过自身调节来缓解胁迫伤害，且不同种源间存在差异[15-16]。研究水分胁迫对叶色的影响能为彩叶植物栽培应用提供实践理论依据，对于提高其观赏价值也具有重要意义。干旱或淹水胁迫会使植物叶片内的叶绿素和花色素苷质量分数发生变化，红叶石楠(Photiniafraseri)在长期干旱环境下不利于花色素苷合成[17]，而美国红枫(Acerrubrum)和红叶桃(Prunuspersicaf.alropurpurea)则在中度干旱下最利于叶片中花色素苷的积累[18-19]。本文以乌桕属植物新品种‘浦大紫’无性系盆栽苗为材料，设置不同的水分梯度以研究叶片各相关生理指标的变化规律，并探讨水分对乌桕秋季叶色观赏效果的影响，以期为彩叶观赏乌桕的合理高效栽培利用提供依据。

1 试验地概况

试验地位于浙江省杭州市西湖区的浙江省林业科学研究院试验苗圃，地理位置为30°13′9″N，120°1′44″E，海拔30 m。该地属亚热带季风气候区，阳光充足、冬冷夏热，历年降水量为1 100～1 655 mm[20]。根据浙江杭州城市森林生态系统国家定位观测研究站数据，试验期间的日平均温度由24 ℃逐渐降低至11 ℃，日平均湿度为67%～86%(表1)。

表1 试验期间的温湿度变化情况

2 材料与方法

2.1 试验材料与设计

试验以国家林业和草原局授权的乌桕属乌桕植物新品种‘浦大紫’(品种权号20180397)的当年生嫁接苗为试验材料。砧木为1年生乌桕实生苗，地径0.7～1.0 cm，于2019年4月11日完成嫁接，接穗为‘浦大紫’。试验期间，苗木定植于容量为2加仑(7.57L)的塑料花盆内，栽培基质为山地红壤。试验材料生长到9月时，株高为80～130 cm，冠幅为40～70 cm。

本试验设置4种水分梯度处理，其土壤含水量分别为田间最大持水量的80%(对照组)、65%(轻度胁迫)、50%(中度胁迫)和35%(重度胁迫)，分别用CK、LS、MS和SS表示。试验采用随机区组设计，每个处理重复3次，每个重复10株。按照试验设计，参试苗木随机摆放于开阔、平整的圃地上，彼此间保持0.6 m的间距。8月28日，在试验苗木上方搭建2.0 m高的塑料遮雨棚，材质为白色塑料大棚膜，防止自然降雨对水分控制造成影响。9月1日开始进行水分胁迫处理，采用盆栽控水法于每天下午17：00时左右称质量补水，使各处理维持在胁迫范围内。

2.2 样品采集与指标测定

于开始胁迫处理的第23、30、37、46、57 d进行取样，每次取样时间均为早上09：00—10：00，其中46 d为MS处理进入变色始期，57 d为SS处理进入落叶始期。每个胁迫处理的所有植株均进行采样，在每个植株的侧枝上采集从顶端往下第3至4轮叶片2～3片，混合后放入已经提前做好标记的塑料封口袋，然后立即将样品带回实验室进行各指标的测定工作。

叶绿素和类胡萝卜素质量分数测定采用丙酮浸提法[21]，花色素苷质量分数测定采用盐酸浸提法[22]，可溶性糖质量分数测定采用蒽酮比色法[23]。叶片色度测定采用柯尼卡美能达小型色差计CR-10 Plus，并记录L*、a*和b*值，其中L*值代表明亮程度，a*值代表红绿色，b*值代表黄蓝色。植物地径的测定采用游标卡尺测离地10 cm处的数值，精度为0.01 cm。从植株主干上分化出来的枝条确定为一级枝条。

2.3 叶色观赏期

叶变色期为苗木植株上50%叶片出现变色的时间，落叶期为植株上50%叶片落叶的时间，变色期至落叶期之间的天数为观赏期。

2.4 数据处理

所得数据均用Excel 2010进行数据处理，SPSS 22.0进行方差分析，置信区间为95%，并用Origin2017进行制图，文中图表数据为平均值±标准差。

3 结果与分析

3.1 不同水分处理对叶绿素质量分数及其组成的影响

由表2可知，随着胁迫持续时间的延长，不同水分处理对叶绿素a、叶绿素b和叶绿素(a+b)的质量分数均表现出不同程度的下降趋势。其中，MS处理的叶绿素a、叶绿素b与叶绿素(a+b)质量分数在本试验观测期间内下降量最多，其次是SS处理；到第57 d，叶绿素(a+b)质量分数下降幅度大小的顺序依次为MS、SS、LS、CK，分别比初期下降了81.0%、77.6%、53.5%和50.0%。

在试验的各个阶段，叶绿素质量分数在胁迫处理间均存在一定差异。在23 d时，3个胁迫处理与CK间的差异均达到了显著性水平(P<0.05)；到57 d时，3个胁迫处理仍与CK差异显著(P<0.05)，且MS、SS处理的质量分数显著低于CK和LS。

w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)值在前30 d稳定在3.0左右，之后开始逐渐增大至3.5左右；除了46 d时SS处理与其他处理间存在显著性差异(P<0.05)，在其余阶段各个处理间均未表现出显著性差异。

表2 叶片中各生理指标在不同水分处理下的变化情况

处理叶绿素b质量分数/mg·g-123d30d37d46d57dCK(0.34±0.03)a(0.32±0.03)a(0.26±0.02)a(0.19±0.02)b(0.15±0.02)aLS(0.30±0.01)b(0.28±0.02)b(0.27±0.01)a(0.23±0.01)a(0.12±0.01)bMS(0.29±0.01)b(0.24±0.01)bc(0.19±0.02)b(0.13±0)c(0.05±0.01)cSS(0.25±0.02)c(0.20±0)c(0.18±0.01)b(0.16±0.01)bc(0.05±0.01)c

处理叶绿素(a+b)质量分数/mg·g-123d30d37d46d57dCK(1.36±0.11)a(1.27±0.06)a(1.08±0.08)a(0.81±0.06)b(0.68±0.05)aLS(1.16±0.06)b(1.10±0.01)b(1.08±0.03)a(1.01±0.06)a(0.54±0.05)bMS(1.16±0.06)b(0.97±0.07)c(0.74±0.04)b(0.60±0.01)c(0.22±0.08)cSS(0.98±0.08)c(0.82±0.06)d(0.79±0.06)b(0.73±0.03)bc(0.22±0.05)c

处理w(叶绿素a)∶w(叶绿素b)23d30d37d46d57dCK(2.99±0.10)a(3.00±0.17)a(3.18±0.12)a(3.38±0.13)b(3.62±0.25)aLS(2.85±0.09)a(3.03±0.29)a(3.06±0.14)a(3.36±0)b(3.64±0.24)aMS(3.11±0.27)a(3.04±0.07)a(3.00±0.26)a(3.23±0.31)b(3.29±0.33)aSS(2.94±0.09)a(3.06±0.19)a(3.33±0.14)a(3.66±0.01)a(3.68±0.20)a

处理类胡萝卜素质量分数/mg·g-123d30d37d46d57dCK(0.40±0.03)a(0.56±0.05)a(0.38±0.03)b(0.36±0.05)ab(0.34±0.03)aLS(0.30±0.02)b(0.54±0.02)bc(0.45±0)a(0.43±0)a(0.32±0.02)aMS(0.29±0.03)b(0.51±0.02)bc(0.33±0.03)c(0.31±0)b(0.27±0.03)bSS(0.29±0.02)b(0.49±0.01)c(0.35±0.01)bc(0.34±0.01)b(0.33±0.02)a

处理花色素苷质量分数/U·g-123d30d37d46d57dCK(0.98±0.04)ab(1.64±0.01)a(4.84±0.43)b(8.93±0.57)b(11.06±1.08)cLS(1.03±0.06)a(1.34±0.05)b(2.03±0.13)c(5.26±0.19)c(11.85±0.65)cMS(0.92±0.05)bc(1.66±0.11)a(6.82±0.45)a(13.26±0.83)a(31.08±2.53)bSS(0.88±0.04)c(1.38±0.04)b(5.00±0.43)b(5.60±0.21)c(36.88±3.42)a

处理可溶性糖质量分数/%23d30d37d46d57dCK(3.50±0.16)a(6.38±0.58)a(4.91±0.37)a(6.81±0)a(4.32±0.08)aLS(3.38±0.24)a(6.57±0.39)a(5.14±0.01)a(6.79±0.02)a(4.37±0.01)aMS(3.50±0.18)a(6.29±0.31)a(5.25±0.06)a(6.77±0.04)a(4.35±0.04)aSS(3.50±0.10)a(6.87±0.11)a(4.82±0.43)a(6.78±0)a(4.32±0.02)a

3.2 不同水分处理对类胡萝卜素和花色素苷质量分数的影响

由表2可知，随着胁迫试验的进行，类胡萝卜素质量分数在各处理的变化趋势一致，即先快速上升后缓慢下降，且均在30 d出现峰值。在试验前30 d各胁迫处理均与CK有显著性差异(P<0.05)；到57 d时MS显著低于其他3个处理(P<0.05)，其他处理差异不显著。

随着乌桕秋季叶色逐渐变红，花色素苷质量分数也逐渐升高。如表2所示，在胁迫初期叶未变色前，各处理的花色素苷质量分数均处于较低水平，仅0.95 U·g-1左右，之后开始逐步升高。在57 d之前，MS处理的花色素苷积累更多；但到57 d时，质量分数大小变为SS、MS、LS、CK，其中SS、MS均与CK有显著差异(P<0.05)，其质量分数分别是CK的3.33和2.81倍。

3.3 不同水分处理对可溶性糖质量分数的影响

可溶性糖是花色素苷合成的前体物质，也是影响叶色变化的一个重要指标。从表2可知，在试验期间4个处理的可溶性糖质量分数呈现出波动起伏的变化，以先升后降的趋势循环出现。虽然可溶性糖质量分数在试验前后的波动变化较大，但是在试验期间，3个胁迫处理及CK基本处于同一水平，彼此间并未表现出显著差异。

3.4 不同水分处理对叶片色度值的影响

表3显示，所有4个处理的色度值L*在前30 d均有不同程度的升高，从37 d开始逐渐下降；并且在前30 d各胁迫处理均与CK有显著差异(P<0.05)，从37 d开始到试验结束只有SS与CK一直维持着显著性差异(P<0.05)。57 d时，SS与MS的L*值分别比CK高了10.18%、13%，而LS处理与CK无显著差异。

从表3能直观发现，随着试验进行各处理的a*值均由负值逐渐接近正值，并明显增大，说明乌桕叶色逐渐由绿变红；在57 d各处理均转为正值，叶色变化最为明显。在试验的第23天，各处理的a*值与CK都无显著差别；但随着叶色发生转变，从37 d开始，各胁迫开始与CK表现出显著性差异(P<0.05)；到试验的57 d，a*值大小依次为MS、SS、LS、CK。其中，MS和SS处理的a*值分别是CK的6.21、5.58倍。

在前30 d，各处理的b*值均表现为升高，在37 d略有回调后再继续升高，到试验结束时最终下降(表3)。在同一时间下，b*值均随着胁迫程度的加剧而增大，即表现为SS、LS、MS、CK。在试验过程中SS处理一直与CK保持着显著性差异(P<0.05)，MS处理除了46 d其余时间也都与CK具有显著差异(P<0.05)，而LS一直与CK无显著差异。

表3 色度值在不同水分处理下的变化情况

处理色度值a∗23d30d37d46d57dCK(-7.98±0.08)a(-7.64±0.11)a(-5.58±0.25)b(-2.77±0.26)b(4.84±0.83)bLS(-8.09±0.11)a(-8.18±0.02)b(-6.81±0.12)c(-4.05±0.34)c(5.86±0.16)bMS(-8.02±0.12)a(-7.70±0.09)a(-2.14±0.19)a(-0.99±0.07)a(30.06±1.94)aSS(-8.04±0.10)a(-8.01±0.11)b(-5.29±0.42)b(-4.82±0.37)c(27.02±2.60)a

处理色度值b∗23d30d37d46d57dCK(12.72±0.68)b(16.38±0.99)b(16.11±0.69)c(19.21±1.32)b(12.71±1.57)bLS(14.27±1.12)b(17.68±0.78)b(17.06±0.41)c(20.11±0.86)b(13.21±0.27)bMS(17.68±1.06)a(23.67±0.71)a(20.49±0.19)b(20.54±1.21)b(18.64±2.18)aSS(18.57±1.23)a(25.26±1.42)a(24.02±1.81)a(27.11±0.46)a(19.05±0.99)a

3.5 各指标间的相关分析

由表4知，在试验进行过程中乌桕叶片的叶绿素(a+b)仅与类胡萝卜素为极显著正相关(P<0.01)，而与花色素苷、色度值a*均呈极显著负相关(P<0.01)。其中，类胡萝卜素与花色素苷、色度值a*的关系分别为显著负相关(P<0.05)和极显著负相关(P<0.01)，与可溶性糖为极显著正相关(P<0.01)。花色素苷与色度值a*为极显著正相关(P<0.01)，可溶性糖、L*与b*值三者之间互为极显著正相关(P<0.01)。

3.6 不同水分处理对苗木生长和观赏期的影响

从表5可看出，试验结束时参试苗木的地径和一级枝条数在不同胁迫处理间表现出显著差异(P<0.05)。其中地径随着胁迫程度的加剧而减小，4个处理彼此间的差异均达到显著水平(P<0.05)，SS、MS、LS分别比CK减小了2.31、1.54和0.69 mm。SS处理的一级枝条数均与SS、LS、CK有显著差异(P<0.05)，而SS、LS、CK彼此间均无显著差异。总体而言，水分胁迫对植株生长造成一定程度的影响，且重度胁迫下的影响最大，生长状况最差。

通过观测发现，随着温度的逐步下降(表1)，MS处理从第49天(10月19日)开始进入观赏期，SS则在处理第51天(10月21日)进入。到第60天(10月30日)时，SS处理的乌桕已经进入落叶期，观赏期仅9 d；而此时MS处理的乌桕叶已完全变色，处于观赏盛期；LS和CK处理也开始变色进入观赏期。第68天(11月7日)时，SS处理下的乌桕已基本完全无叶；MS处理开始进入落叶期，从变色到落叶19 d；LS和CK处理已完全变色，均进入最佳观赏期。之后，对CK和LS处理的叶色和落叶进行持续观测，发现二者的最终观赏期分别为23、21 d。

表4 乌桕生理指标间的相关性分析

表5 不同处理的苗木生长和观赏期

4 结论与讨论

彩叶植物的叶色表达是叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷等多种色素综合作用的结果，如三叶海棠(Malussieboldii)秋季叶色发生变化正是由于色素质量分数及其比例的改变[24]。研究表明，适度的干旱条件能诱导花色素苷合成[25]。本试验发现，随着试验进行所有处理的花色素苷质量分数大幅升高，同时叶绿素质量分数(包括叶绿素a、叶绿素b)均逐渐减少，而类胡萝卜素质量分数虽然在初期呈现为升高但最终缓慢下降，这与前人的研究结果一致[16]。不同水分条件对叶色呈现是有差异的，从各色素的变化情况来看，MS和SS处理下的叶色变化较快，具体表现为到57d时花色素苷积累量最多(由大到小分别是SS、MS、LS、CK)，这与美国红枫的研究结果相符[18]；叶绿素降解量也较多(由大到小分别是MS、SS、LS、CK)，且MS和SS处理均与CK、LS存在显著差异(P<0.05)；但在前期MS的花色素苷质量分数积累更早，而LS处理到57d时其叶绿素质量分数和花色苷合成量虽然分别低于和高于对照组CK，但均未达到显著差异水平。这表明水分胁迫能促进花色素苷的合成和叶绿素的降解，但在MS(中度)和SS(重度)胁迫下叶色变化更快更明显。此外，在本试验中叶绿素a与叶绿素b比值在前30 d稳定在3.0左右，但之后出现增大趋势，随着胁迫时间延长叶绿素b的降解速度大于叶绿素a。

可溶性糖是合成花色素苷的前体物质和能量提供者，同时也是重要的信号物质，起到多方面的作用[26]。在本次试验中可溶性糖质量分数变化波动较大，逐步升高后又下降，而且各胁迫处理与CK间并未有显著差异。其原因可能是可溶性糖不仅为花色素苷合成提供能量，也为其他的生理活动提供能量，因此其质量分数会受到多方面的影响。

色度值L*、a*和b*能通过数值变化精确反应出叶色变化情况。在试验过程中，所有处理的亮度值L*均大致表现为先上升后下降的趋势；试验到57 d时，MS、SS处理与CK有显著差异(P<0.05)，并且MS处理的亮度值更高，说明叶色已经由绿色转为更明亮的颜色色，视觉效果更好。红绿值a*在前30 d变化波动不大，从37 d开始各处理的a*值均快速升高，表明叶色逐渐变红，这与花色素苷的变化规律基本一致；到57 d时已从负值转正，叶色已全部为红色，其中升高幅度最大的是中度胁迫MS，与前人的试验结果相符[27]，其次才是SS、LS和CK，说明在本试验下MS处理的叶色更红艳。相关性分析结果中，a*与所有色素均极显著相关(P<0.01)，其中与花色素苷为极显著正相关(P<0.01)。这是由于a*的大小是叶色红度的表现，而花色素苷的升高是叶色显红的内在原因。随着试验进行，所有处理的黄蓝值b*总体呈现先上升后下降的趋势，并且在同一时间b*均随着胁迫程度的加剧而加大，由大到小顺序为SS、MS、LS、CK，这可能是由于水分胁迫影响到了叶片内的含水量，并且SS在试验期间一直都与CK处理具有显著差异(P<0.05)，在重度胁迫下叶色更易变淡发黄，视觉观赏效果差。

水分胁迫对植物生长产生了不利影响，通过测得的地径和一级枝条数发现，随着胁迫程度的加剧地径越来越小，且4个处理彼此间的差异均达显著水平(P<0.05)；而一级枝条数仅SS与其他处理间有显著差异(P<0.05)。总的来说SS处理下的地径最细、一级枝条数最少，进而致使整个植株的叶片稀少[28]，观赏效果变差。从观赏期来看，SS处理的乌桕落叶早，观赏期仅有9 d；MS处理最早开始变色，观赏期为19 d且叶片数量影响较小；而LS和CK处理的观赏虽然相对较长，但其变色较晚，推迟变色将更容易遭受到气候条件的剧烈变化，因气温骤降或大风导致提前落叶而缩短观赏期。

因此从本试验来看，在乌桕秋季叶色变化过程中，花色素苷和叶绿素的质量分数变化对叶色的影响较大，并且中度和重度水分胁迫能在一定程度上促进各色素变化，加快叶色呈现；但相较之下，中度胁迫下的叶色变化会更早，呈色也会更明亮红艳，视觉观赏效果好，并且观赏周期长；而重度胁迫下不仅观赏期短，生长情况也更差。本研究结果可为乌桕彩叶品种的科学合理栽培、管理抚育和观赏应用等方面提供参考价值。