基于色彩模式的秋色叶植物的叶色研究

许丽颖， 刘斗南， 赵玥琪， 王立凤， 肖 杰， 齐虹凌， 张彦丽

(牡丹江师范学院生命科学与技术学院，黑龙江牡丹江 157012)

彩叶植物虽然叶色丰富，但大多数时候彩叶植物只有某一个变色期，并且秋色叶居多。秋色叶植物的色彩随着气候、时序的变化而变化。一般来说，昼夜温差和夜间低温是叶色转色的主要限制因子，其彩叶色彩持续的时间因气候变化而有差异。在植物色彩的应用方面，主要是关于植物色彩对人心理和生理的影响、彩叶植物的应用、色彩调和与变化理论的应用等内容[1-5]的研究，缺乏定量研究。近年来，针对植物色彩研究主要涉及定性研究，而一些学者开始了对植物色彩的定量研究的拓展[6-7]。关于叶色分析也主要采用叶片色彩自然色彩系统(natural coloursystem，简称NCS)色卡标记法[8]进行研究，使用RGB值[红色(red，简称R)，绿色(green，简称G)，蓝色(blue，简称B)]和CMYK值[青色(cyan，简称C)，洋红色(magenta，简称M)，黄色(yellow，简称Y)，黑色(black，简称K)]进行植物叶色的研究主要应用在海棠[9]、核桃缺素症[10]等方面。关于秋季叶色变化与RGB值和CMYK值的变化是否具有一些相关性未见报道。本研究选取牡丹江主要秋色叶树种进行色彩的量化分析，将这些叶片的色彩值转化为相应的RGB值和CMYK值。使用准确的数字将色彩变化与时间和温度科学地反映出来，准确地运用各个色彩值进行定量分析，进一步总结秋季叶色变化规律及最佳叶色观赏期，为秋色叶植物在北方园林中的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

本研究选取牡丹江师范学院校园内9种具有代表性的秋色叶植物进行研究，其中秋叶红色5种，秋叶黄色4种，详见表1。

1.2 研究期气温动态变化特征

由于植物秋季叶色变化与温度变化具有一定的关系，研究期间材料选取当天最低、最高温度，详见图1。结果表明，2015年10月3日至11月2日的30 d秋季时段，最低、最高温度因大陆季风性气候冷暖气流交替变化而变化，最高温度为5～20 ℃，最低温度为-5～6 ℃。昼夜温差较大，日温差在7～21 ℃之间，温度变化适合秋叶植物叶色改变[11]。

1.3 研究方法

1.3.1 取样方法 自2015年10月3日起，每5 d进行1次拍照记录，每种植物选择1株有代表性的进行研究，每株植物选取3张叶片进行标记。每次拍摄照片选取同一时间段，叶片上全光照，在没有任何角度遮挡的情况下进行拍照。拍摄整体照及被标记叶片的特写照片，每张照片重复拍摄3次。拍摄前用小喷壶、纸巾等对叶片进行清洗处理，防止叶片上的灰尘对试验结果产生影响。

1.3.2 颜色测定方法 RGB模型也称加色模型，它是一种发光的色彩模式，0～255为3种颜色模式的数值范围。CMYK是3种印刷油墨名称的首字母：青色(cyan)为C、品红色(magenta)为M、黄色(yellow)为Y。0～100%为4种颜色的含量比例范围。而K取的是black最后1个字母，之所以不取首字母，是为了避免与蓝色(blue)混淆。CMYK可以准确地用数字来描述一种颜色的多少。叶片拍摄后，采用PhotoshopCS3软件测定叶片的RGB值和CMYK值[12]，并采用Excel进行图表处理。

1.3.3 图像处理方法 叶片拍摄后，图像处理方法同李欣等的研究[9]。

2 结果与分析

2.1 彩叶植物的RGB值和CMYK值变化分析

由图2可以看出，RGB的色彩模式中，除了紫丁香和山杏G值为最高以外，其他植物均以R值最高，B值最低，B值忽略不计。不同植物R值最高值出现的时间及最高值不同。茶条槭R值最高值在10月8日和10月13日达到255，整体呈现先升后降的趋势，10 d降低45.4%；茶条槭G值与R值走势相同，最高值在10月13日，达到246，10 d降低83%；火炬树R值最高值在10月13日，达到229，呈先升后降的趋势，10 d降低30%；火炬树G值呈现降低的趋势，最高值在10月3日，达到153，20 d降低60.8%；五叶地锦R值最高值在10月13日，达到230，呈现先升后降的趋势，10 d降低40%；五叶地锦G值整体上逐渐降低，最高值在10月3日，达到102，20 d降低 60.8%；金焰绣线菊R值最高值在10月13日，达到255，呈现先升后降的趋势，10 d降低16.4%；金焰绣线菊G值与R值走势相同，最高值在10月13日达到170，10 d 降低22.4%；连翘R值最高值在10月3日，达到247，呈现逐渐降低的趋势，20 d降低85.7%；连翘G值与R值走势相同，最高值在10月3日，到达187，20 d降低57.2%；百华花楸R值最高值在10月3日，达到235，呈现逐渐降低的趋势，20 d降低 31.1%；百华花楸G值呈现先降后升的趋势，最高值在10月3日，达到115，随后降为最低，5 d降低45.2%；金山绣线菊R值最高值在10月8日和10月13日，达到255，呈现先升后降的趋势，10 d降低45.2%；金山绣线菊G值与R值走势相同，最高值在10月13日，达到246，10 d降低83%；紫丁香与山杏都是G值较高，说明这2种植物与其他几种植物的色彩有一定的差别。紫丁香在10月3日时G值最高，为226，呈现先降低后升高的趋势，最低值出现在10月8日，为165，降低了27%，随后逐渐增加，但是还是没有达到最初的数值，R值与G值走势相同；山杏G值呈现先增加后降低又升高的趋势，最高值在10月13日，为186，比10月3日增加了19%，R值为逐渐上升的趋势，最高值为10月23日的172，比10月3日增加了84.9%。9种植物叶色的CMYK值中，均是Y值相对较高，这与秋季彩叶植物类胡萝卜素含量增加有一定的关系，这方面的研究还需进一步加强。

2.2 色彩模式R/G值分析

由于植物叶片颜色是一个色彩混合的模式，除了要考虑某一种颜色在叶片中存在的量以外，还要考虑其他相关颜色在叶片中存在的量。由图2可以看出，R和G值较高，而B值相对较小，不作重点考虑。所以使用R与G的比值来反映植物叶片中红色与绿色的色彩模式含量的大小，从而对植物的叶色表达具有一定的表象意义。当二者比值大于1时，说明叶色红色色彩模式多于绿色，当二者比值小于1时，说明叶色红色色彩模式少于绿色。除金山绣线菊外，多数秋叶植物随着时间的变化，R/G值有逐渐升高的趋势，说明叶色中的红色模式逐渐升高。但是不同植物R/G值的最高点出现的时间不同。10月8日，百华花楸R/G值最高；10月13日，连翘R/G值最高；10月18日，五叶地锦、金焰绣线菊、山杏R/G值最高；10月23日，茶条槭、火炬树R/G值最高。

表2 9种植物色彩模式的R/G值分析

2.3 植物叶色变化率分析

关于秋天和秋叶如何界定，参照施福成等上海秋季植物景观的研究可知：同一株植物或同一种植物30%及以上的叶片同时开始变色，并且呈现出鲜明亮丽的色彩时，看作秋色出现的标志[13]。本研究按上述标准，以叶片同时变色30%作为秋色叶植物开始变色的临界参考点，当叶片变色率达到60%以上，就认为该植物或已具有较好的秋色景观。

从图3可以看出，随着时间的变化，9种秋色叶植物变色率有所变化，但是变色速度不同，不同植物变色速度为山杏>紫丁香>五叶地锦>金焰绣线菊>炬树>茶条槭>连翘>金山绣线菊>百华花楸。调查期间，不同植物变色早晚也不同，变色最早的是百华花楸，最晚的是山杏。调查初期，只有百华花楸、连翘、茶条槭和金山绣线菊变色率超过30%以上，呈现秋色叶标志，同时百华花楸和金山绣线菊已经具有较好的秋色景观。说明它们的变色期较早，应该提早进行调查，而其他5种植物变色较晚，山杏在调查初期还没有变色迹象，调查中期只有紫丁香还未呈现变色标志，其他植物均己变色30%以上，而且在10月18日除紫丁香外，其他植物均已呈现较好的秋色景观。调查末期即10月23日除金焰绣线菊外，所有植物均已落叶，调查截止。适宜的低温、湿润的空气和土壤以及背风的环境则是秋叶保持鲜艳并延长观赏期的关键[14]。

3 结论

3.1 秋色叶植物变色率与标准色彩模式的关系

通过研究发现，所调查的9种秋色叶植物中，紫丁香和山杏G值最高，同时二者的植株变色率在调查期间也较低，说明这2种植物的色素依然以叶绿素为主，使植物呈现绿色为主的现象。其他植物均是R值最高，但是金山绣线菊和茶条槭的R值和G值相差不多，其他植物2值相差较多。所有植物都是K值最低，且变化幅度不大。总的来说，植物的RGB值3条折线走势基本相同，CMYK值4条折线走势基本相同，并与RGB走势相反。RGB值从大到小分别为R、G、B，CMYK值由大到小排序为Y、M、C、K。C、K多数时候为0，或接近0。说明C值和K值基本可以忽略不计，所以在评价植物叶片色彩时可以以RGB值作为主要的数据评价依据。

以茶条槭为例，在评价叶色时如果单独考虑R值最高即为最佳观赏叶片时期，其最佳叶色观赏期为10月8日至10月13日，但是如果采用R/G值作为参考指标的话，其比值最高的时间为10月23日，所以在评价植物叶片色彩观赏价值时不能只以某种色彩模式为主，应该综合考虑几种色彩模式中的相关性，研究植物色彩的最佳观赏值。如果考虑植物的生理机制，进一步研究各类色素比值、R/G值和植物叶片最佳观赏期之间的关系会具有一定的意义，但是如何兼顾好植物叶片取相的阶段连续性及色素含量测定的连续性，是一个值得研究的问题。

RGB值是植物色彩表现的一种量化指标，通过研究发现，叶片的RGB值变化与植物的变色率相关性不大，因为变色率观察的是整株变色情况，在植物RGB特征值统计时并不能代表所有植物的变色情况，所以二者的相关性不大。

3.2 秋色叶植物变色率与温度的关系

影响植物变色的因素很多[15-16]，研究表明，夜温低使林中或植物微环境相对湿度上升，可增加植物根系吸收利于色叶形成的磷、钾肥和微量元素，而减少不利于色叶形成的氮元素的吸收[17-18]，光照、水分含量、土壤、温度等[19-20]也因为影响植物体内的某些基因和酶等进而影响植物叶色。本研究发现10月8日相比10月3日温度有所升高，植物变色速度较快，10月13日时温度下降，并且最低温度一直持续到调查结束，只有最高温度先升高后降低，但是对植物的变色影响不大，植物的变色率一直有所升高。说明彩叶植物在秋季变色与温度有一定的相关性，最低温度在彩叶植物变色率上具有主要作用，最低温度下降使植物变色加快，二者呈现负相关，但是最低温度持续有一定的期限，当达到某一个临界期限时植物变色率将不再增加，或者有降低的趋势，或者导致植物落叶。对于北方来说，温度是影响秋色叶植物变色率的一个重要因素，但不是绝对因素，还可能与植物所处的位置、光照条件等有关。本研究中的变色物候仅为2015年观测的结果，秋色叶植物变色期在不同年份会因为气候而有不同的变色时间范围，但大多数植物变色顺序基本可以了解，可以为秋色叶植物的应用配置提供参考依据。