4种彩叶树春季叶片转色期色素含量变化研究

孙 健 张鸿翎 韩 涛

（1. 内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2. 内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010019）

彩叶植物是指秋色叶植物之外的植物，在春季、夏季和秋季均呈现出不同于绿色的颜色，部分彩叶植物终年均呈现为彩色[1]。彩叶植物独特的颜色变化、可自由搭配的园林景观效果和观赏期较长的优点可以很大程度上满足人们在视觉上对于美的追求[2-3]。在国土绿化、建设生态文明的实践中，彩叶化和珍贵化是树种选择的关键指标，被许多地方认定为生态功能和景观价值的重要元素[4]。红叶石楠（Photinia serrulata）在春季叶绿素含量低，花色素苷含量高，叶色为红色；叶片由红转绿过程中花色素苷含量逐渐减少，而光合色素含量则逐渐增多[5]。柳叶栎（Quercus phellos）在转色期以黄色为主，叶片内花色素苷含量增加变化幅度较小，类胡萝卜素含量增加幅度较大[6]。张振宇等[7]研究表明，‘金薇’（Lagerstroemiaindica）总叶绿素/类胡萝卜素的变化是导致其黄叶形成的直接原因。植物色彩作为园林植物景观的重要观赏特征之一，其搭配运用的和谐、美观，直接影响着景观质量的高低[8]。在以往园林景观植物配置中多倾向于不同树种生长习性方面的搭配，忽略了色彩的重要性，整体园林景观观赏效果较差。因此，为更好的将彩叶植物应用于园林景观中，探究其呈色机理显得极为重要。

本研究以在内蒙古呼和浩特地区4种不同彩叶树种金叶复叶槭（Acer negundo）、红叶榆叶梅（Amygdalustriloba）、金叶榆（Ulmus pumila）和紫叶李（Prunuscerasifera）为研究对象，对其春季叶片变色情况进行观测记录，并对变色过程中叶片内的色素含量进行测量，比较并分析了叶绿素、类胡萝卜素、花色素苷含量、细胞液pH的变化以及各观测时段的叶色参数与叶片呈色的关系。该研究为进一步研究彩叶植物的呈色机理并为园林景观设计中的合理应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究材料

所选取的研究材料为2021年内蒙古呼和浩特市春季5—6月生长良好、长势一致、无明显病虫害的树种各10株。取样周期为7～9 d，晴天采样，每树种随机选取向阳面的完整叶片（约30片），将其置于-80℃超低温冰箱保存待测。

1.2 测定指标和方法

1.2.1 叶绿素a/b及类胡萝卜素测定方法

用95%乙醇溶液室温避光条件下浸提24 h后用分光光度计测定665、649、470 nm处的吸光值，分别用OD665、OD649和OD470表示[9]。重复3次测定。按公式（1）～（5）计算叶绿素a浓度（Chl a）、叶绿素b浓度（Chl b）、叶绿素浓度（Chl）、类胡萝卜素浓度（Car）。

式中：A为色素含量、V为提取液总体积、W为样品质量。

1.2.2 花色素苷测量方法

用0.1 mg/L盐酸溶液室温避光条件下浸提24 h，分光光度计测定在530 nm处的吸光度值OD530[9]，重复3次测定。以OD530值为0.1时的花色素苷浓度为1个单位，按公式（6）计算花色素苷含量（B）。

1.2.3 叶色参数测量方法

测定叶色参数的值参照白新祥等[10]、Tatsuzawa等[11]的方法。将采集的叶片扫描在Adobe Photoshop CS 6中，并在拾色器中调至Lab模式，记录叶片L*（光泽明亮度，L*值越大则亮度越高）、a*（红、绿2种颜色，a*值越大，表示红色越深，反之表示绿色越深）、b*（黄、蓝2种颜色，b*值越大，表示黄色越深，反之蓝色越深）的值。

1.2.4 细胞液pH值测定

准确称取0.1 g叶片，加入10 mL蒸馏水研磨成匀浆，以该匀浆pH值代表叶片细胞液的pH值，并用pH计测定，重复3次试验。

1.3 数据处理

使用Excel软件进行图表整理分析，用SPSS 25.0软件进行数据相关性分析。

2 结果与分析

2.1 叶片光合色素含量变化特征

由图1可知，红叶榆叶梅和紫叶李的叶绿素a含量整体变化趋势大致相同，呈升高—降低—升高的趋势。5月初期上升幅度较大且都在生长初期叶绿素a含量最低，分别为0.53 mg/g和0.24 mg/g；5月中旬到6月上旬叶绿素a下降较明显，均下降30%。金叶复叶槭和金叶榆叶绿素a含量变化幅度均较小，5—6月呈缓慢上升趋势，均在6月初期达到最高值，叶绿素a含量分别为0.29 mg/g和0.13 mg/g，整体差异不显著。

图1 叶绿素a含量随时间变化Fig.1 Variation of chlorophyll a content with time

由图2可知，所测的4种彩叶树种的叶绿素b含量变化与叶绿素a含量变化有大致相同的趋势，但其含量相对较低。红叶榆叶梅和紫叶李变化趋势基本相同，但红叶榆叶梅整体含量高于紫叶李，且二者同样在生长初期叶绿素b含量最低，分别为0.17 mg/g和0.13 mg/g，6月后都呈上升趋势；金叶复叶槭和金叶榆5—6月整体都呈缓慢下降趋势，均在6月初期出现最低值为0.01 mg/g，6月下旬二者叶绿素b含量呈缓慢上升趋势，总体变化不明显。

图2 叶绿素b含量随时间变化Fig.2 Variation of chlorophyll b content with time

由图3可知，4种彩叶树种的类胡萝卜素含量均在生长初期出现最低值，金叶复叶槭为0.06 mg/g，红叶榆叶梅为0.05 mg/g，金叶榆为0.04 mg/g，紫叶李为0.06 mg/g。4种树种类胡萝卜素含量均在5月初期长势迅速，金叶复叶槭较生长初期类胡萝卜素含量上升了283.3%；红叶榆叶梅含量上升了825.0%；金叶榆上升了500.0%；紫叶李上升了450.0%。红叶榆叶梅与紫叶李含量变化趋势相似，5月上旬到6月上旬缓慢下降，并在6月下旬呈上升趋势。金叶复叶槭与金叶榆的含量变化趋势相似，自生长初期含量上升达到最高值后，随时间变化二者类胡萝卜素含量均平缓下降。

图3 类胡萝卜素含量随时间变化Fig.3 Change of carotenoid content with time

由图4可知，所测的4种树种叶绿素总量与叶绿素a含量变化同步。红叶榆叶梅与紫叶李叶绿素总量均呈低—高—低—高变化，且在生长初期总量最低，分别为0.70 mg/g和0.38 mg/g；其中红叶榆叶梅在6月末叶绿素总量达到最高值为1.48 mg/g，紫叶李则在5月上旬达到最高值为1.11 mg/g，二者的最高值比最低值分别增加了114.2%和192.1%。金叶复叶槭与金叶榆叶绿素总量在5月均平缓下降，6月上旬上升且出现最高值，分别为0.32 mg/g和0.14 mg/g；6月中下旬开始缓慢下降，整体变化幅度不大。

图4 叶绿素总量随时间变化Fig.4 Variation of total chlorophyll with time

2.2 花色素苷含量变化特征

由图5可知，红叶树种的花色素苷相对含量整体高于金叶树种。其中金叶复叶槭和金叶榆的花色素苷含量虽整体变化不大，但也一直处于平缓下降趋势，金叶复叶槭最高值出现在5月下旬为2.7 mg/g，最低值出现在6月末为0.8 mg/g。金叶榆最高值出现在6月初为2.6 mg/g，最低值在6月末，为1.1 mg/g。红叶树种花色素苷含量整体呈高—低—高—低的‘M’型走势；红叶榆叶梅2次最高值出现在5月初和6月中旬，分别为8.1mg/g和8.0 mg/g；紫叶李2次峰值出现在5月中旬和6月下旬，分别为16.8 mg/g和14.5 mg/g。

图5 花色素苷相对含量随时间变化Fig.5 Variation of anthocyanin relative content with time

2.3 叶色参数随时间变化的特征

由图6 a可知，金叶树种在生长季L*值处于下降趋势，亮度逐渐变暗，5月初期刚刚萌发，叶片较为幼嫩，二者叶片均为金黄色，此时的L*值最大，分别为69和67，而后5月中下旬及6月二者叶片颜色变化较小，L*值下降平缓，趋势平稳，金叶榆L*值稳定在60左右，金叶复叶槭L*值则稳定在55左右。红叶树种变化差异不显著，变化幅度小较为稳定，呈现高—低—高—低的变化趋势，红叶榆叶梅在5月下旬L*值最大为27，紫叶李则在5月上旬出现最大值为35，二者L*值均在5月下旬开始缓慢下降，稳定在22左右。

由图6 b可知，金叶复叶槭的a*值在变色期间变化幅度较小，在-5左右浮动变化，最低值为-8。金叶榆a*值变化呈缓慢上升趋势，由于在生长初期叶片颜色为亮黄色，其a*值在初期出现最低值为-12，而后随着时间变化，叶片颜色由明黄逐渐变暗a*值也呈现出平缓上升趋势，最高值出现在6月下旬为-4。红叶榆叶梅在生长初期嫩叶的叶色为鲜红色，所以a*值在初期达到最高值为16，随着叶色加深，a*值缓慢下降，在6月中旬出现最低值为3。紫叶李的a*值较其他3种植物变化幅度较大呈先上升后下降的趋势，最高值17出现在叶色呈现最红的5月下旬，6月末出现最低值为3。

由图6 c可知，金叶复叶槭叶片生长初期黄色程度较深，所以在生长初期其b*值达到最大值为70，在生长季过程中，金叶复叶槭的b*值一直处于缓慢下降趋势，在6月末达到最低值50，较最高值下降28.5%。金叶榆b*值走势与金叶复叶槭基本相同，都呈缓慢下降趋势。金叶榆在5月中旬出现最高值为73，同时也在6月末达到最低值60，较最高值下降17.8%。红叶榆叶梅b*值走势呈先降低后平缓上升，但变化程度不明显，其最大值出现在在生长初期为13，而后一直稳定在10左右。紫叶李b*值走势先升高后下降，最低值出现在生长初期为6，最高值15出现在6月初，比最低值升高150%，6月下旬又出现升高趋势，整个变色期b*值也较为稳定。

图6 叶色参数随时间变化Fig.6 Variation of leaf color parameterswith time

2.4 细胞液p H值随时间变化的特征

由图7可知，随时间变化金叶复叶槭在春季变色期间pH值先升高后降低，之后趋于平稳，在6月末有上升趋势，其最高值出现在5月上旬为4.86，最低值在6月上旬为3.35，较最高值下降31.1%。金叶榆整体pH值比金叶复叶槭的高，但细胞液也都呈酸性，呈先下降后上升的趋势，6月中旬达到最低值为5.59，较5月初出现最高值6.96下降了19.7%。红叶榆叶梅整个变色期间细胞液pH都呈缓慢下降的变化趋势，5月份下降最显著出现最高值为6.30，最低值为4.55。紫叶李细胞液pH呈先降低后升高变化趋势，5月初出现最高值为5.38，最低值3.87出在6月初出，较最高值下降28.1%。

图7 细胞液p H值随时间变化Fig.7 Changes of pH valueof cell fluid with time

2.5 4种植物叶片转色期叶色参数与各指标间的相关性分析

由表1可知，2种金叶植物的L*值与叶绿素总量表现出极明显负相关性（P＜0.01）且与类胡萝卜素、花色素苷和细胞液pH表现出极明显的正相关性（P＜0.01），a*值与各生理指标无明显相关性，b*值与叶绿素总量、类胡萝卜素和细胞液pH也呈现出显著的正相关（P＜0.05），说明在春季叶片转色初期金叶复叶槭和金叶榆的叶绿素含量低，而类胡萝卜素和花色素苷的含量高，在它们共同作用下使得这2种金叶树种在生长初期的叶片呈现出金黄色，L*和b*也出现最大值。2种红叶树种的a*值与叶绿素总量呈显著负相关（P＜0.05），红叶榆叶梅a*与花色素苷呈显著正相关（P＜0.05），与细胞液pH呈极显著正相关（P＜0.01）；紫叶李a*与花色素苷呈极显著正相关（P＜0.01），L*和b*均与细胞液pH呈显著负相关（P＜0.05），其余各项指标与叶色参数均没有显示出明显的相关性。由此可见，2种红叶树种的呈色与花色素苷含量和叶绿素含量有关系，其呈色决定着a*值的大小。

表1 转色期叶色参数与各指标间皮尔逊相关系数Table1 Pearson correlation coefficient between leaf color parametersand indexesat color transition stage

3 结论与讨论

植物叶片中含有不同色素种类、各色素含量的变化和不同比例分布，使得叶片形成了不同的颜色[12]。本研究中，从5—6月期间4种彩叶植物的叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷含量均呈现出不同的变化趋势。金叶复叶槭和金叶榆在春季生长初期类胡萝卜素含量较高，叶绿素含量低，使叶片呈现出金黄色。随时间推移，类胡萝卜素含量逐渐降低而叶绿素含量逐渐增加，使叶色明亮度和叶片黄色程度逐渐减弱。并且，春秋昼夜温差大加快花色素苷的合成，由于叶绿素含量较低且合成能力弱，此时花色素苷含量占据主导地位，使叶片表现出紫红色，而夏季气温高，光照强，花色素苷降解快，紫红色也逐渐减弱[13-14]。姜晶等研究的紫雨桦在5月初新生叶片呈暗紫色，与叶片高含量的花色素苷有关[15]。本研究中红叶榆叶梅和紫叶李在春季生长初期叶片呈现出红色是由于花色素苷含量增加和叶绿素与类胡萝卜素含量降低而导致的，而后随时间推移花色素苷合成能力减弱，其含量呈下降趋势，所以2种红叶树种的紫红色都逐渐减弱且红叶榆叶梅出现复绿现象。这与Luo等[16]研究的牡丹品种‘满园春色’的结果一致。本研究用L*、a*和b*值表示叶色的变化情况，研究发现在春季2种金叶树种具有较高的类胡萝卜素才会使叶片呈现黄色，L*与b*值也随之升高，而各色素含量与a*没有相关性。2种红叶树种呈现出紫红色与花色素苷和叶绿素含量有关系且影响着a*值的大小，色素含量与L*和b*值均无明显相关性。因此，色素含量的多少是影响叶片呈色的主要因素。

本研究同时对前人研究较少的细胞液pH值进行研究。细胞液pH值影响花色素苷表现[17-19]。花色素苷在细胞液pH值小于7时呈现红色，pH值大于7时呈现蓝色，只有当其含量占主导优势时，才会呈现出花色素苷的颜色[20]。虽然2种金叶树种的细胞液pH始终小于7，但叶片均未呈现出红色，表明花色素苷含量在各色素含量中没有占据主导优势，进而未起到主导作用，但其含量升高对于金叶树种呈现出黄色有抑制作用。紫叶李花色素苷含量始终大于红叶榆叶梅，所以紫叶李叶片颜色较深，而红叶榆叶梅叶片紫红色相对较浅且出现复绿现象，而2种红叶树种的细胞液pH值始终小于7，叶绿素合成较低，由此可以看出，花色素苷占主导地位，使叶片呈现出紫红色。

本研究就4种彩叶树种在春季叶色转色期的叶色表现、相关色素含量变化及其相关性比较分析可知，叶色发生变化是由于叶片内各色素含量的比例发生了改变，其中，叶绿素、类胡萝卜素和花色素苷的含量变化对于叶片呈色都有直接的影响，并且，细胞液pH影响花色素苷颜色表现，进而影响植物叶片呈色。

综上可知，金叶复叶槭和金叶榆最佳观赏期为5—6月，春季长出叶芽嫩黄色，至夏初叶片金黄色加深，后期叶片均有复绿趋势，观赏度降低；红叶榆叶梅初生嫩叶为紫红色，春季观赏效果最佳，而后有些叶片变绿，观赏效果降低；紫叶李为彩叶常色树种，随时间推移叶片颜色逐渐加深，观赏价值较高。此外，植物叶片呈色还受植物叶片结构、叶绿体发育活动[21]、植物光合特性[22]以及外界环境[23]的影响，后期试验可以进一步探究这些因素影响彩叶植物的呈色机理，以期为延长彩叶植物观赏期与增强植物配置中的色彩丰富度，提供技术支持与理论依据。