靳慧琴，梁俊林，賈詩雨，肖 歡，唐實(shí)玉，馮云超，劉 洋*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院生態(tài)林業(yè)研究所/長(zhǎng)江上游林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京100083；3.四川省阿壩藏族羌族自治州理縣林業(yè)和草原局，四川理縣 623102）

彩葉植物是以葉色為主要觀賞對(duì)象的植物[1]，其色彩豐富，觀賞期較長(zhǎng)，容易形成大片色塊、色帶等園林景觀[2]，不僅可以美化和豐富景觀，亮麗的色彩還可以提高人們的視覺享受。彩葉植物的葉色表現(xiàn)是遺傳因素和外部環(huán)境共同作用的結(jié)果，通過改變?nèi)~片中各種色素的種類、含量及分布形成多彩的葉色[3]。決定植物葉色的色素主要有葉綠素類、類胡蘿卜素類和類黃酮類，不同色素表現(xiàn)不同的顏色，普通葉片呈現(xiàn)綠色是由于葉綠素占主導(dǎo)地位，彩葉植物秋季葉色變紅是由于葉片大量合成花色素苷的結(jié)果[4-5]。色素含量的變化與植物葉片的酶活性密切相關(guān)，如葉綠素酶是參與葉綠素降解的重要組成酶之一，在葉綠素酶促降解代謝的最初步驟中起作用[6]，苯丙氨酸解氨酶是花青素合成途徑的第一個(gè)酶，催化苯丙烷類代謝第一步反應(yīng)的酶，苯丙烷類途徑可生成一系列中間產(chǎn)物，經(jīng)過黃酮途徑可生成花色素苷[7]?？扇苄蕴呛透彼崾侵参矬w內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性糖既可通過調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透勢(shì)來促進(jìn)花色素苷的合成，也可作為花色素苷代謝過程中的前體物質(zhì)[5]，脯氨酸可調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)影響花色素苷含量[8]。光照、溫度和土壤條件等環(huán)境因子也通過影響色素的合成與積累影響植物葉色[5]，目前有關(guān)光照、金屬元素等環(huán)境因子對(duì)彩葉植物呈色生理的研究已有報(bào)道[7，9-11]，對(duì)在土壤酸堿度方面的研究相對(duì)較少，因此，研究土壤酸化對(duì)彩葉植物呈色機(jī)理的影響具有重要意義。

紅楓（Acer palmatum‘Atropurpureum’）為槭樹科槭樹屬雞爪槭的變種，葉色紅艷，樹姿優(yōu)美，是重要的彩葉植物。紅楓葉色具有季節(jié)變化，早春嫩葉呈鮮紅色或紫紅色，夏季略轉(zhuǎn)青，秋季又轉(zhuǎn)回紫紅色[12-13]，具有較高的觀賞價(jià)值，廣泛應(yīng)用于園林景觀建設(shè)及引種栽培。土壤酸堿度是影響紅楓引種栽培及葉片呈色的重要環(huán)境因子，研究表明微酸性或中性土壤利于彩葉植物葉片呈色，而堿性土壤抑制呈色[3]。植物體內(nèi)的主要顯色物質(zhì)花色素苷對(duì)pH值比較敏感[5]，土壤酸堿度會(huì)影響花色素苷的合成與結(jié)構(gòu)，酸性條件可促進(jìn)花色素苷的形成，且不同的花色素苷種類和數(shù)量會(huì)表現(xiàn)不同的顏色[14]。對(duì)假色槭（Acer pseudosieboldianum）的研究發(fā)現(xiàn)土壤酸化處理會(huì)影響花青素的合成，引起葉色飽和度和明度的響應(yīng)從而促進(jìn)假色槭葉片呈色[15]。但過酸及過堿的土壤環(huán)境反而會(huì)降低光合色素含量，使生物膜受到傷害，同時(shí)保護(hù)酶的活性和花色苷含量增加，與自由基反應(yīng)減輕傷害，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)也相應(yīng)發(fā)生改變[16]。亞高山彩葉林是我國西南地區(qū)特有的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)類型之一，是區(qū)域特色生態(tài)旅游經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，但由于工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害等因素導(dǎo)致彩葉林生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，彩葉植物的引種栽培對(duì)其生態(tài)恢復(fù)和景觀重建有重要意義。因此，本研究通過探討土壤酸化對(duì)紅楓葉片變色期相關(guān)色素含量、酶活性及內(nèi)含物質(zhì)等生理指標(biāo)的影響，為彩葉林的引種栽培及環(huán)境因子調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

本試驗(yàn)于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣薛城林場(chǎng)開展。該研究區(qū)地處北緯 31°34′271，東經(jīng) 103°20′401，海拔1 550 m。全年平均氣溫9℃，最低氣溫-4℃，最高氣溫29℃，1月最冷，8月最熱。干濕季節(jié)分明，年降水量635 mm，在5—10月集中降水，占全年降水量的80%。受西伯利亞西風(fēng)氣流、印度洋暖流和太平洋東南季風(fēng)3個(gè)環(huán)流的影響形成季風(fēng)氣候，冬季干燥寒冷，晝夜溫差較大。土壤類型為山地灰褐土，呈堿性，植被覆蓋率較低[7，9]。

1.2 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

選擇生長(zhǎng)一致，健壯無病蟲害的3～4 a生紅楓苗木進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，一株一盆，盆土為當(dāng)?shù)赝寥?，于大棚養(yǎng)護(hù)成活后將盆栽移到林場(chǎng)無遮擋的平整地并進(jìn)行常規(guī)管理。參照高宏梅[17]的盆土酸堿度處理方法，使用pH4檸檬酸緩沖液和pH6檸檬酸緩沖液進(jìn)行土壤酸化處理，并以清水處理作為對(duì)照，每個(gè)處理30株紅楓。于2018年8月開始進(jìn)行第1次酸化處理，之后每月定期處理一次，并在每次處理前測(cè)量土壤pH值并做記錄，酸化處理一直持續(xù)至2019年11月，酸化處理前后的土壤pH值變化見表1。分別于2018年9月、10月及2019年10月、11月在紅楓葉色明顯變化的時(shí)候采集葉片進(jìn)行生理指標(biāo)的測(cè)定，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

表1 持續(xù)酸化處理過程中土壤的pH變化Table 1 Changes in soil pH during continuous acidification

1.3 生理指標(biāo)測(cè)定

參照已有的生理指標(biāo)測(cè)定方法[7，18-19]，測(cè)定植物葉片色素含量（葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和花色素苷）、葉片酶活性（葉綠素酶和苯丙氨酸解氨酶）；內(nèi)含物質(zhì)（可溶性糖和脯氨酸）等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel和SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析檢驗(yàn)各指標(biāo)在同一時(shí)間不同處理間的差異顯著性，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析各指標(biāo)在相同處理不同采樣時(shí)間上的差異。使用Origin2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片色素含量變化

由圖1可知，隨著采樣時(shí)間的推移，兩個(gè)年份紅楓葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而花色素苷含量顯著增加，除了2018年pH6檸檬酸緩沖液處理和2019年pH4檸檬酸緩沖液處理，其余處理的葉綠素a和類胡蘿卜素含量隨紅楓葉色的轉(zhuǎn)變都顯著減少；葉綠素b含量表現(xiàn)為僅2019年的pH4處理沒有顯著降低；兩個(gè)年份的花色素苷含量在時(shí)間上都顯著增加，從而引起紅楓葉色的轉(zhuǎn)變。對(duì)比各采樣時(shí)間不同處理間可以發(fā)現(xiàn)，2018年10月和2019年11月葉綠素a含量差異顯著；葉綠素b含量在2018年10月和2019年均差異顯著；2018年的2次采樣及2019年10月的類胡蘿卜素含量沒有顯著差異；各處理間的花色素苷含量表現(xiàn)為在2018年的2次采樣中沒有顯著變化，但2019年具有顯著差異且pH6檸檬酸緩沖液處理的花色素苷累積量最大。

圖1 土壤酸化對(duì)紅楓葉片色素含量的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Figure 1 The effects of soil acidification on the pigment contents of Acer palmatum‘Atropurpureum’leaves(mean±SD)

2.2 相關(guān)酶活性變化

從圖2可以看出，隨著紅楓葉色的轉(zhuǎn)變，葉綠素酶和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性整體變化不大，其中PAL活性在時(shí)間上均沒有顯著性差異，2018年葉綠素酶表現(xiàn)為pH6酸化處理在時(shí)間上顯著降低而對(duì)照顯著升高。對(duì)比同一時(shí)間不同試驗(yàn)組間可以發(fā)現(xiàn)，2018年9月各酸化處理的葉綠素酶活性顯著高于對(duì)照，由此看出，適當(dāng)降低土壤堿性可以增加紅楓葉片內(nèi)葉綠素酶活性，從而加快葉綠素的分解；2018年P(guān)AL活性在處理間均沒有顯著差異，而2019年11月pH6檸檬酸緩沖液處理顯著高于對(duì)照和pH4檸檬酸緩沖液處理。

圖2 土壤酸化對(duì)紅楓葉片相關(guān)酶活性的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Figure 2 The effect of soil acidification on related enzyme activities of Acer palmatum'Atropurpureum'leaves（mean ± SD）

2.3 內(nèi)含物質(zhì)含量變化

由圖3可知，兩個(gè)年份各處理的可溶性糖（SS）含量隨著采樣時(shí)間的變化均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而脯氨酸（Pro）含量隨著采樣時(shí)間的推進(jìn)逐漸累積。對(duì)比同一時(shí)間不同處理可知，2018年10月pH6檸檬酸緩沖液處理和pH4檸檬酸緩沖液處理的SS含量顯著高于對(duì)照，2019年11月pH6檸檬酸緩沖液處理組含量高于對(duì)照，表明適當(dāng)降低土壤堿性有利于紅楓葉片中SS含量的積累；2年采樣中pH6和pH4檸檬酸緩沖液處理的Pro含量均高于對(duì)照，但2018年10月和2019年兩次采樣處理間的差異均不顯著。

圖3 土壤酸化對(duì)紅楓葉片內(nèi)含物質(zhì)的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Figure 3 The effect of soil acidification on the content of Acer palmatum'Atropurpureum'leaves（mean ± SD）

3 討論

3.1 土壤酸化對(duì)色素的影響

植物葉色因葉片細(xì)胞內(nèi)色素的種類、含量、比例及分布等差異而產(chǎn)生不同的效果，葉綠素、類胡蘿卜素和花色素苷是影響葉色的主要色素[3，16]。土壤pH是影響彩葉植物葉色轉(zhuǎn)變的重要環(huán)境因子之一，在土壤酸化過程中色素含量及比例會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。本試驗(yàn)中兩個(gè)年份紅楓葉片轉(zhuǎn)色期的葉綠素和類胡蘿卜素含量逐漸降低，花色素苷含量顯著增加，使紅楓葉色變得紅艷，這與其他研究結(jié)果一致，葉片轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色主要是花色素苷大量合成積累，其含量和比例遠(yuǎn)大于其它色素[16]。與對(duì)照相比，兩個(gè)年份的pH4檸檬酸緩沖液處理延緩了轉(zhuǎn)色期葉綠素含量和類胡蘿卜素含量的減少，降低了葉綠素和類胡蘿卜素的降解速度，花色素苷含量的積累也相對(duì)較少，表明pH4酸化處理不利于紅楓葉色呈現(xiàn)。而2019年pH6酸化處理加速了葉綠素的降解，花色素苷的積累量最多，使紅楓轉(zhuǎn)色提前，符合微酸性土壤或中性土壤利于彩葉植物葉片呈色的結(jié)論[3]，其他研究表明，酸性環(huán)境有利于紅葉石楠“紅羅賓”（Photinia×fraseri‘Red Robin’）花色素苷的合成[20]，酸性土壤可以促進(jìn)紫花槭（Acer pseudosieboldianum）秋季葉色發(fā)生階段提前[21]，與本研究結(jié)果一致。pH4檸檬酸緩沖液處理的葉綠素含量較高，對(duì)多葉羽扇豆（Lupinus polyphyllus Lindl.）的研究也表明隨著土壤pH的降低葉綠素含量升高[22]，僅葉綠素b在2019年10月顯著低于對(duì)照，這可能是因?yàn)楣庹?、水分等其他環(huán)境因子加速了葉綠素b的降解。酸化處理的類胡蘿卜素含量均高于對(duì)照，表明較低的土壤酸堿度利于類胡蘿卜素的積累?；ㄉ剀諏?duì)pH值比較敏感，唐前瑞等[23]認(rèn)為pH值不僅影響花色素苷的合成，還會(huì)影響其穩(wěn)定性，隨著pH值的增加，花色素苷降解速率常數(shù)增大，張冬梅等[24]發(fā)現(xiàn)挪威槭（Acer platanoides）葉片中花色素苷的顏色會(huì)隨著細(xì)胞液pH值的升高顏色加深且花色素苷還會(huì)被降解，本研究中pH4檸檬酸緩沖液處理下花色素苷的積累量最低，這可能因?yàn)槠渌蛩厥蛊浜铣墒艿搅艘种啤?/p>

3.2 土壤酸化對(duì)相關(guān)酶活性的影響

植物體內(nèi)色素含量的變化與相關(guān)酶活性存在聯(lián)系，葉綠素酶是催化葉綠素分解的第一步酶，使其水解為脫植基葉綠素和葉綠醇的疏水性酶[7]，有研究認(rèn)為葉片衰老過程中隨著葉綠素酶活性的提高葉綠素降解加劇，也有研究發(fā)現(xiàn)葉綠素酶活性的提高與葉綠素含量的下降并不完全一致[6]。本研究中2018年pH6和pH4檸檬酸緩沖液處理的紅楓葉綠素酶活性較對(duì)照高，說明酸化初期對(duì)葉綠素酶活性的影響較大，葉綠素降解得更快，進(jìn)而對(duì)葉片紅色的顯現(xiàn)起到促進(jìn)作用。隨著紅楓葉色的轉(zhuǎn)變，兩個(gè)年份的葉綠素酶活性變化沒有明顯規(guī)律。苯丙氨酸解氨酶是合成花色素苷的關(guān)鍵酶，其活性的降低會(huì)影響植物體內(nèi)花色苷的合成速率和積累，其表達(dá)受自身發(fā)育和環(huán)境因素的雙重調(diào)控[16]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2019年酸化處理的PAL活性隨時(shí)間逐漸升高，且11月pH6處理的PAL含量顯著高于對(duì)照，表明適當(dāng)酸化土壤能促進(jìn)PAL活性，利于紅楓呈色。

3.3 土壤酸化對(duì)可溶性糖和脯氨酸的影響

可溶性糖是參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的重要物質(zhì)，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)節(jié)以及抵抗能力具有重要作用[25]。SS既可以調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透勢(shì)，促進(jìn)花色素苷的合成，也可以作為能源物質(zhì)為花色苷的合成提供碳骨架，促進(jìn)花色苷的代謝[17]。楚愛香等[26]研究發(fā)現(xiàn)SS峰值在花色素苷的峰值前,說明可溶性糖是花色素苷合成的前提物質(zhì)。吳琰琰等[27]研究表明北美紅楓（Acer rubrum L.）整個(gè)秋季變色期的可溶性糖質(zhì)量比呈不斷上升趨勢(shì)，但過量積累可能會(huì)抑制花色素苷合成，本試驗(yàn)中兩個(gè)年份各處理紅楓的SS含量隨著葉色的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樘鞘腔ㄉ剀蘸铣傻那绑w物質(zhì)，紅楓葉色轉(zhuǎn)紅時(shí)大量合成了花色素苷，消耗了部分可溶性糖[28]，導(dǎo)致SS含量降低。與對(duì)照相比，酸化處理的SS含量較高，表明適當(dāng)降低土壤堿性，更有利于SS含量的積累，對(duì)雞爪槭（Acer palmatum Thunb.）的研究也發(fā)現(xiàn)可溶性糖含量在處理過程中基本隨酸度的增加而升高[29]，而2019年11月pH4檸檬酸緩沖液處理的SS含量顯著降低，不利于花色素苷的合成。Pro能調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢(shì)，防止細(xì)胞內(nèi)相關(guān)酶類失活[7]，還可以調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)影響花色苷的含量[8]。研究發(fā)現(xiàn)粉紅珙桐（Davidia involucrate）葉片中的脯氨酸含量從春季到秋季呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)[8]，而本試驗(yàn)中兩個(gè)年份紅楓的Pro含量隨著紅楓葉色的轉(zhuǎn)變逐漸累積，與其研究結(jié)果相似。就不同處理間而言，各個(gè)采樣時(shí)期酸化處理的Pro含量高于對(duì)照且pH6處理的Pro含量最高，與王一鳴等[30]的土壤酸化促進(jìn)了葉片中游離脯氨酸增加的研究結(jié)果基本一致，可見適當(dāng)降低土壤堿性可以促進(jìn)Pro的合成。

4 結(jié)論

在本研究中，與對(duì)照相比，pH6檸檬酸緩沖液酸化處理加速了紅楓葉片葉綠素的降解，增加了花色素苷及可溶性糖含量，提高了葉片的觀賞效果，但pH4檸檬酸緩沖液處理不利于葉綠素、類胡蘿卜素的降解及花色素苷的合成，從而影響葉片呈色。因此，在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行適當(dāng)?shù)耐寥浪峄幚砝诩t楓提前轉(zhuǎn)色，延長(zhǎng)觀賞期，為紅楓的引種栽培及葉色調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。本盆栽試驗(yàn)在自然環(huán)境下進(jìn)行，光照、溫度、水分等其他環(huán)境因子會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，且土壤酸堿度會(huì)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和土壤性質(zhì)，在以后的研究中可以控制相關(guān)環(huán)境因子，同時(shí)測(cè)定植物生長(zhǎng)特性及土壤理化性質(zhì)等相關(guān)指標(biāo)，深入對(duì)紅楓呈色生理的研究。