張德順,戰(zhàn) 穎,姚鰻卿,奉樹成,王本耀,幸冬梅,秦夢(mèng)楨,陳芃序

(1同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;2上海市綠化管理指導(dǎo)站,上海 200020;3重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,重慶 400074;4華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,武漢 430074)

園林植物受到脅迫后會(huì)有不同的形態(tài)、生理和生態(tài)變化,通常根據(jù)植物生長和生理等指標(biāo)的變化來判斷其是否正常生長或其受害程度。葉片顏色是構(gòu)成園林樹種觀賞價(jià)值的重要特征之一。干旱脅迫會(huì)影響樹種葉綠素等色素的合成,從而影響樹種葉片的顏色。干旱脅迫與樹種葉色變化有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,在干旱脅迫下,抗旱能力弱的植物會(huì)發(fā)生變色、褪色甚至失綠的現(xiàn)象[1]。陳珠琳等[2]使用分割算法提取葉片顏色特征,發(fā)現(xiàn)干旱脅迫使得檀香細(xì)胞氧化受損,葉片色相向黃色系偏移,亮度增加。盛忠雷等[3]對(duì)茶樹施加持續(xù)干旱脅迫,發(fā)現(xiàn)茶樹葉片呈現(xiàn)先變深后變淺的趨勢(shì)。因此,探究干旱脅迫下樹種葉片顏色變化的程度對(duì)極端氣候背景下園林樹種的選取具有重要意義。

阿爾伯特·蒙塞爾(Albert H.Munsell)首先將顏色定義為一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),使得色彩的客觀量化成為可能[4],而隨著色彩學(xué)的進(jìn)一步完善及人工智能圖像識(shí)別技術(shù)中對(duì)色彩編碼的推進(jìn),可以根據(jù)植物葉色的變化來判斷植物生長的狀況。本文根據(jù)人類視覺系統(tǒng)對(duì)顏色的感知特征,對(duì)圖像的色調(diào)、亮度和飽和度進(jìn)行非均勻量化,直觀分析樹種葉片顏色受干旱脅迫的影響程度,旨在探究園林植物受脅迫后判斷其受害程度的新方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地位于山東省濟(jì)寧市鄒城市,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.9℃,最冷月平均氣溫-1.6—0.7℃,最熱月平均氣溫27.4℃。年平均日照時(shí)數(shù)2 282.2 h,年平均太陽輻射總熱量120.6 KJ∕cm2。年平均降水量686.5 mm,年平均降水日數(shù)74.8 d,降水集中在7—8月。試驗(yàn)苗圃(166°58′48″E,35°28′40″N)地勢(shì)平坦,土壤肥力均勻。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

選取常見的國外引進(jìn)園林樹種10種,分別是二球懸鈴木(Platanus acerifolia)、紅花槭(Acer rubrum)、加拿大紫荊(Cercis canadensis)、美國紅櫨(Cotinus coggygria‘Royal Purple’)、蘇格蘭金鏈樹(Laburnum alpinum)、紅火箭紫薇(Lagerstroemia indica‘Red Rocket’)、北美楓香(Liquidambar styraciflua)、河津櫻(Prunus kanzakura‘Kawazu-zakura’)、刺槐(Robinia pseudoacacia)和心葉椴(Tilia cordata)。

1.3 試驗(yàn)方法

采用盆栽鑒定法,分梯度控水以模擬自然狀態(tài)下樹種受到的不同程度的干旱脅迫。所有小苗均于2020年3月12日移植入塑料盆,露天苗圃緩苗。6月9日緩苗結(jié)束,每個(gè)樹種各選取長勢(shì)一致的植株12棵,作為研究對(duì)象。設(shè)置4個(gè)控水梯度,分別為:對(duì)照組(正常供水,土壤相對(duì)含水量為田間最大持水量的95%±5%)、輕度干旱組(土壤相對(duì)含水量為田間最大持水量的60%±5%)、中度干旱組(土壤相對(duì)含水量為田間最大持水量的40%±5%)、重度干旱組(土壤相對(duì)含水量為田間最大持水量的20%±5%),每個(gè)處理3次重復(fù)。6月9日將植株移入溫室并開始盆栽控水,6月11日各組均達(dá)到預(yù)設(shè)的土壤相對(duì)含水量,之后每天上午7:00、下午19:00用土壤水分速測(cè)儀檢測(cè)土壤含水量,及時(shí)補(bǔ)水,保證土壤相對(duì)含水量處于預(yù)設(shè)范圍內(nèi),持續(xù)控水20 d。

1.4 葉片色值指標(biāo)收集

干旱脅迫開始前根據(jù)色卡記錄各樹種從上到下第一棵小枝的第一片暴露良好且成熟葉片的CMYK色值,并在干旱脅迫結(jié)束后即7月1日再次記錄該葉片的CMYK色值[5]。

1.5 色彩量化

HSB模型是基于人眼對(duì)色彩的觀察來定義的,在此模型中所有的顏色都用色相(色調(diào))、飽和度和亮度3個(gè)特性來描述。根據(jù)物體反射或透射的光的頻率,將色相(H)分為360種基本色,將顏色的強(qiáng)度或純度定義為飽和度(S),將顏色的明暗程度定義為亮度(B)。H取值范圍為0—359,S和B為0—100%,稱H、S、B的集合為色彩的HSB模式。與RGB、CMYK等色彩模型相比,HSB模型從人視覺感受出發(fā),在色彩規(guī)劃、景觀美感度評(píng)價(jià)中已有應(yīng)用,因此,本研究選取HSB模型來分析干旱脅迫前后葉片色彩的變化[6-8]。利用Photoshop軟件將所測(cè)CMYK色值轉(zhuǎn)化為HSB色值。

人們對(duì)色相的敏感程度高于飽和度和亮度,色相在色彩感知中擁有更多的權(quán)重和量化分級(jí)。人工智能科學(xué)領(lǐng)域基于圖像色彩檢索的相關(guān)理論近年來在景觀色彩研究中被廣泛應(yīng)用[9-10],根據(jù)人的視覺敏感程度將色相劃分為16個(gè)區(qū)間,飽和度及亮度分別劃分為4個(gè)區(qū)間(式1)。

同時(shí),為了更便捷地研究干旱脅迫前后葉片色彩的變化量,將H、S、B三維數(shù)據(jù)根據(jù)公式轉(zhuǎn)化為一維色值C,即:

其中H′、S′、B′分別為色相、飽和度、亮度對(duì)應(yīng)的級(jí)別,QS、QB分別為式1中飽和度、色相區(qū)間個(gè)數(shù),在本次研究均取4。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫前后葉片色值變化

將干旱脅迫前、后的色值做差可得干旱脅迫前后各樹種在各程度干旱脅迫下葉片顏色變化量。由表1可知,二球懸鈴木、紅花槭、美國紅櫨、北美楓香、河津櫻、心葉椴在干旱脅迫前后各試驗(yàn)組葉片色值未發(fā)生較大變化,而蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊在干旱脅迫前后試驗(yàn)組葉片色值均發(fā)生較大變化,即干旱脅迫已經(jīng)嚴(yán)重影響了上述4種樹種的葉片顏色。

表1 干旱脅迫前后葉片色值變化量Table 1 Leaf color changes before and after drought stress

2.2 蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊葉色變化

干旱脅迫前后蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊4種樹種各試驗(yàn)組與對(duì)照組葉片顏色如圖1所示。為了更直觀地分析葉片顏色變化特征,本研究從色相(圖2)、飽和度(圖3)、亮度(圖4)三個(gè)維度分析蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊樹種葉片顏色變化情況。

圖1 干旱脅迫前后蘇格蘭金蓮樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊葉片顏色變化Fig.1 Changes in leaf color of Laburnum alpinum,Lagerstroemia indica‘Red Rocket’,Robinia pseudoacacia and Cercis canadensis before and after drought stress

圖2 干旱脅迫前后蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊葉片色相變化Fig.2 Changes in leaf hue of Laburnum alpinum,Lagerstroemia indica‘Red Rocket’,Robinia pseudoacacia and Cercis canadensis before and after drought stress

圖3 干旱脅迫前后蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊葉片飽和度變化Fig.3 Changes in leaf saturation of Laburnum alpinum,Lagerstroemia indica‘Red Rocket’,Robinia pseudoacacia and Cercis canadensis before and after drought stress

圖4 干旱脅迫前后蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊葉片亮度變化Fig.4 Changes in leaf brightness of Laburnum alpinum,Lagerstroemia indica‘Red Rocket’,Robinia pseudoacacia and Cercis canadensis before and after drought stress

蘇格蘭金蓮樹與紅火箭紫薇葉片顏色變化趨勢(shì)相似,隨著干旱脅迫程度的加重,葉片色相向黃色靠攏、飽和度及亮度均有所升高,葉片由偏冷色調(diào)的深綠色變?yōu)榱咙S綠色。水分充足狀態(tài)下的刺槐是高飽和度的黃綠色,在輕度及中度干旱脅迫下,刺槐色相、亮度并未發(fā)生較大變化,飽和度略有降低,粗略觀察看差別不大;重度干旱脅迫下,刺槐葉片色相向黃色系靠攏、亮度大幅上升,葉片呈現(xiàn)亮黃色,整體觀賞效果與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)。加拿大紫荊葉片顏色在輕度、中度干旱脅迫下變化不大;重度干旱脅迫下,加拿大紫荊葉片色相由紫色相跨動(dòng)到橙色相、飽和度降低、亮度升高,葉片顏色變化較大。

3 討論與展望

配置園林樹種時(shí),樹種葉片顏色搭配是植物配置的重要考量因素,在干旱脅迫下,抗旱能力優(yōu)秀的樹種應(yīng)達(dá)到維持樹種葉片原本顏色、甚至在極端條件下葉片色彩更加絢麗明亮,能夠呈現(xiàn)出預(yù)設(shè)的效果或是帶來出乎意外的美景。

從葉片顏色變化來看,二球懸鈴木、紅花槭、美國紅櫨、北美楓香、河津櫻、心葉椴在園林應(yīng)用中具有良好的抗旱性,可以在干旱脅迫下保持良好的葉色觀賞效果,而蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇、刺槐、加拿大紫荊抗旱能力較差,葉片顏色均產(chǎn)生較大變化,葉色觀賞效果大受影響。蘇格蘭金鏈樹、紅火箭紫薇葉片顏色在中度干旱時(shí)期就已產(chǎn)生明顯變化,重度干旱脅迫下變化程度進(jìn)一步擴(kuò)大,但總體上仍在綠色系范疇。刺槐、加拿大紫荊葉片顏色在輕度、中度干旱脅迫下表現(xiàn)良好,然而在重度干旱脅迫下變化較大,與預(yù)期的葉色觀賞效果相差甚遠(yuǎn),難以滿足城市干旱生境下,園林樹種的綜合功能的要求,因此從葉色觀賞價(jià)值的角度來看,刺槐、加拿大紫荊對(duì)干旱脅迫適應(yīng)能力較差,園林實(shí)踐中應(yīng)盡量避免二者長期處于土壤相對(duì)含水量小于或等于20%的環(huán)境中。

HSB模型以及對(duì)色相、飽和度、亮度的非均勻量化與賦值,有效壓縮色彩評(píng)價(jià)維度,將人面對(duì)不同色彩的反應(yīng)直觀化、將不同色彩之間的差異客觀化。使得對(duì)葉片色彩變化的研究從抽象到具體,從主觀到客觀,為今后分析干旱脅迫下樹種色彩變化提供了便利。不僅如此,色彩量化的思想在逆境下樹種色彩變化、景觀色彩評(píng)價(jià)等諸多領(lǐng)域同樣具有極大的應(yīng)用潛力,將進(jìn)一步推進(jìn)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)的參數(shù)化、數(shù)字化水平。