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

(牡丹江師范學院生命科學與技術學院，黑龍江牡丹江 157012)

彩葉植物雖然葉色豐富，但大多數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色的主要限制因子，其彩葉色彩持續的時間因氣候變化而有差異。在植物色彩的應用方面，主要是關于植物色彩對人心理和生理的影響、彩葉植物的應用、色彩調和與變化理論的應用等內容[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，而一些學者開始了對植物色彩的定量研究的拓展[6-7]。關于葉色分析也主要采用葉片色彩自然色彩系統(natural coloursystem，簡稱NCS)色卡標記法[8]進行研究，使用RGB值[紅色(red，簡稱R)，綠色(green，簡稱G)，藍色(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)]進行植物葉色的研究主要應用在海棠[9]、核桃缺素癥[10]等方面。關于秋季葉色變化與RGB值和CMYK值的變化是否具有一些相關性未見報道。本研究選取牡丹江主要秋色葉樹種進行色彩的量化分析，將這些葉片的色彩值轉化為相應的RGB值和CMYK值。使用準確的數字將色彩變化與時間和溫度科學地反映出來，準確地運用各個色彩值進行定量分析，進一步總結秋季葉色變化規律及最佳葉色觀賞期，為秋色葉植物在北方園林中的應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究材料

本研究選取牡丹江師范學院校園內9種具有代表性的秋色葉植物進行研究，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系，研究期間材料選取當天最低、最高溫度，詳見圖1。結果表明，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進行1次拍照記錄，每種植物選擇1株有代表性的進行研究，每株植物選取3張葉片進行標記。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行拍照。拍攝整體照及被標記葉片的特寫照片，每張照片重復拍攝3次。拍攝前用小噴壺、紙巾等對葉片進行清洗處理，防止葉片上的灰塵對試驗結果產生影響。

1.3.2 顏色測定方法 RGB模型也稱加色模型，它是一種發光的色彩模式，0～255為3種顏色模式的數值范圍。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，是為了避免與藍色(blue)混淆。CMYK可以準確地用數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日達到255，整體呈現先升后降的趨勢，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，達到246，10 d降低83%；火炬樹R值最高值在10月13日，達到229，呈先升后降的趨勢，10 d降低30%；火炬樹G值呈現降低的趨勢，最高值在10月3日，達到153，20 d降低60.8%；五葉地錦R值最高值在10月13日，達到230，呈現先升后降的趨勢，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，達到102，20 d降低 60.8%；金焰繡線菊R值最高值在10月13日，達到255，呈現先升后降的趨勢，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日達到170，10 d 降低22.4%；連翹R值最高值在10月3日，達到247，呈現逐漸降低的趨勢，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187，20 d降低57.2%；百華花楸R值最高值在10月3日，達到235，呈現逐漸降低的趨勢，20 d降低 31.1%；百華花楸G值呈現先降后升的趨勢，最高值在10月3日，達到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，達到255，呈現先升后降的趨勢，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，呈現先降低后升高的趨勢，最低值出現在10月8日，為165，降低了27%，隨后逐漸增加，但是還是沒有達到最初的數值，R值與G值走勢相同；山杏G值呈現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系，這方面的研究還需進一步加強。

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具有一定的表象意義。當二者比值大于1時，說明葉色紅色色彩模式多于綠色，當二者比值小于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，并且呈現出鮮明亮麗的色彩時，看作秋色出現的標志[13]。本研究按上述標準，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，當葉片變色率達到60%以上，就認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，呈現秋色葉標志，同時百華花楸和金山繡線菊已經具有較好的秋色景觀。說明它們的變色期較早，應該提早進行調查，而其他5種植物變色較晚，山杏在調查初期還沒有變色跡象，調查中期只有紫丁香還未呈現變色標志，其他植物均己變色30%以上，而且在10月18日除紫丁香外，其他植物均已呈現較好的秋色景觀。調查末期即10月23日除金焰繡線菊外，所有植物均已落葉，調查截止。適宜的低溫、濕潤的空氣和土壤以及背風的環境則是秋葉保持鮮艷并延長觀賞期的關鍵[14]。

3 結論

3.1 秋色葉植物變色率與標準色彩模式的關系

通過研究發現，所調查的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，使植物呈現綠色為主的現象。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?？偟膩碚f，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值作為主要的數據評價依據。

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，應該綜合考慮幾種色彩模式中的相關性，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性及色素含量測定的連續性，是一個值得研究的問題。

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

3.2 秋色葉植物變色率與溫度的關系

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的某些基因和酶等進而影響植物葉色。本研究發現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到調查結束，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，二者呈現負相關，但是最低溫度持續有一定的期限，當達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。本研究中的變色物候僅為2015年觀測的結果，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，但大多數植物變色順序基本可以了解，可以為秋色葉植物的應用配置提供參考依據。