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为什么秋天的叶子,有的变黄有的变红?

  图1:秋色(图片来源:作者提供)
  秋天,是暖色调的。秋风吹得一座座山丘层林尽染,成熟的果实透出诱人的色彩,田里的庄稼也已遍地金黄。大自然大笔一挥,在大地上描绘出秋天的色彩,带给人们温暖和喜悦。
  图2:稻田秋景(图片来源:作者提供)
  秋之色彩,既有春夏传承的翠绿,也会呈现出硕果深秋的金黄,在绿与黄的铺垫下,最终会变幻成火一样的红,颇为动人。观叶知秋,变色与落叶皆是植物的生存之道
  图3:南京中山植物园航拍秋景(图片来源:南京中山植物园)
  植物叶片颜色,是随季节而变化的。秋风起兮白云飞,草木黄落兮雁南归。秋日的来临也预示着植物开启换装之旅,这其中又以落叶阔叶林变幻得更为猛烈。萧萧梧叶送寒声,秋季不仅带来了冷空气,秋日的白昼时长也减少了,植物经过亿万年的演化,为了适应环境的变化,早已进化出属于自己的生存策略。
  图4-5:臭椿树上的爬山虎(图片来源:作者提供)
  植物在秋季变色落叶,也是在寒冬来临前,应对不利环境因素而采取的措施。植物在秋季生长变缓,此刻无论是光照和温度,还是它们从土壤中获取的养分和水分都有所降低。所以植物通过一系列生理反应,使叶片逐渐变色脱落,从而有效减少水分的蒸发,降低植株营养的消耗,保持植株体内的水分和营养平衡,还会把获取的养分储存在叶芽、花芽或根系等部位,从而应对干燥寒冷的冬季。
  图6:航拍秋景(图片来源:作者提供)
  图7:南京中山植物园紫薇路秋景(图片来源:南京中山植物园)
  在这过程中,植株为减少水分和营养向叶片传输,体内脱落酸等物质发生变化,在叶柄基部形成隔离层,使叶片从枝条上脱落,从而保证植物度过冬季。这里需要注意,叶子脱落是植物的选择,而不是风的诱惑,风最多也就算是顺水推舟。换句话说,叶子脱落是因为树不挽留而不是因为风的吹求。落回大地的叶片,会化作春泥更护花,尤其是叶片中的氮,自然降解后便会作为植物生长的养分来源。
  图8:南京中山植物园红枫岗秋景(图片来源:南京中山植物园)
  植物在秋天变色落叶是正常的生理现象,待到来年春日还会萌发新绿,共同见证山花灿漫之美。
  图9:粉黛乱子草(图片来源:作者提供)
  当植物遭遇病虫害时,叶片的枯黄和凋落就不正常了,凋落的叶片不分老叶新叶,凋落季节也没有规律,通常凋落的叶片还伴有卷枯和病斑,此时我们所要做的就是尽快把带病枝叶清走并妥善处理,防止病害枝叶影响植株的生长,同时也可防止病害枝叶上的虫卵带来新的危害。
  图10:枫香树(图片来源:作者提供)
  当然,不正常的高温干旱和寒冷天气,也会使植物提前变色和片脱落,甚至会引起植物生理失衡,造成植株死亡。
  图11:南京中山植物园松柏园(图片来源:南京中山植物园)
  随着全球变暖,人们曾一度认为,植物的光合作用会加强,可以吸收更多的CO2来提高固碳量。而最新的研究表明:植物生长虽受环境影响,但每年的固碳量是一定的。植物经过长期的演化,有着属于自己的落叶机制。
  图12:南京中山植物园松柏园航拍(图片来源:南京中山植物园)
  此外,如果植物进行非正常的光合作用,那么它们的生长发育可能会受到影响。如种植在路灯下的农作物,白天和大田的作物一样正常生长。晚上路灯亮起后,灯下的这些作物还要继续进行光合作用。当大田的作物植株慢慢变黄、果实开始成熟时,路灯下的植物却还是枝繁叶茂,毫无开花结果之意。当冬季来临,这些植物的光合作用还在持续,叶片也在不断蒸腾水分,然而根系的活力已经降低,已无法获取足够的养分和水分,最终会造成植株枯萎或死亡,这显然对植物的生存是不利的。生境不同,叶片变色规律亦有不同
  图13:银杏(图片来源:作者提供)
  我们所处的星球,按气候不同可简单分为热带、温带和寒带,不同的气候带形成不同的植物类群。
  图14:血皮槭(图片来源:作者提供)
  热带地区有许多四季常绿的树木,四季变幻中,这些植物的老叶会持续地少量地脱落,新叶也会在适宜的环境中长成,始终维持着一片绿意。也有不同的,如木棉的叶子在冬季会变黄后逐步脱落,待来年春天叶子尚未萌发之时,绽放出满树繁花,是典型的先花后叶植物。
  图15:美丽异木棉(图片来源:作者提供)
  在寒带地区,不是所有植物都可经受住严寒的考验,在这里分布的树种多数会在寒冬到来前,舍去满树的叶片,而一些松柏类植物则可以在风雪中驻守,四季常青。
  图16-17:新疆针叶林(图片来源:作者提供)
  神奇的是,它们的叶片不是每年都会更新,有些物种的叶片从长出到凋落要经历多年的风霜洗礼。
  图18:雪松(图片来源:作者提供)
  同样是松柏科植物,在秋季也会有许多松柏会从苍翠变为金黄,最后铺满大地,如落羽杉、水杉、池杉和金钱松等。有时,它们生活在水岸边,迎着秋日的余晖,映衬在湖中的倒影随碧波而晃动,一眼望去,动人的秋景扑面而来。
  图19:金钱松(图片来源:作者提供)
  在温带地区,有许多秋季变色植物,如北方的黄栌和火炬树,南方的枫香、鹅掌楸(马褂木)和乌桕,抑或南北普植的银杏、爬山虎(地锦)和悬铃木,在"多彩"的秋季,美不胜收。
  图20:鹅掌楸(马褂木)(图片来源:作者提供)
  当然,温带也有很多常绿植物,如樟(香樟),茶、木樨(桂花)、广玉兰、山茶和雪松等,它们也都有着各自的生存法则。
  图21-22:乌桕(图片来源:作者提供)
  到过南京的朋友可能会听过这种说法:"没有一只鸭子可以游过长江。"趣说南京人对鸭子的喜爱。
  图23:香樟(图片来源:作者提供)
  在植物界有种相似的说法叫:"香樟不过江"。香樟是原产南方及西南各省区常绿乔木,但它怕冷,移植到北方后即使不被冻死也是奄奄一息,我们所能见到正常生长的香樟树,最北大概种植在徐州街道两侧,再往北就很难见到其大量种植了。《晏子春秋》有云:"橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳,叶徒相似,其实味不同。所以然者何?水土异也。"古人虽是拿橘树作比喻,但仍可看出在春秋时期,古人已注意到植物会因生境不同而有所变化。
  图24:香樟新老叶同框(图片来源:作者提供)
  香樟树作为常绿植物,一年四季蓊郁葱葱,如果细心观察,香樟的叶片也会在特定季节变色脱落。特别的是,这是在香樟花开的春季。此时,伴随着香樟特有的芳香,它的老叶会随着新叶的萌发生长,逐渐变红,一阵春风吹过,片片红叶随风舞动,簌簌而下,铺出一地红毯。
  图25:香樟新老叶同框(图片来源:作者提供)
  香樟的叶片,也在春风细雨里,完成了叶片的更迭,它们的新叶薄如蝉翼,或嫩绿,或嫩黄,有时还会是淡淡的红。古人曾用"让新谢落犹含苾,藻彩铺园叠锦茵"的诗句,描述香樟老叶凋落时的美与芳香。此刻,若我们捡起一片落叶,在指尖揉捏,香樟叶所散发的清香也会弥留在指尖,沁人心脾。
  图26:香樟脱落的老叶(图片来源:作者提供)究其根源,叶片是怎么实现"变色自由"的?
  植物叶片的变色过程,实则是叶片内色素等成分不断变化的过程。以秋落叶植物为例,随着植株光合作用减弱,它们获取的养分也在逐渐减少,此刻叶片内的叶绿素就会逐渐分解,化作营养物质回馈给植株。随着叶绿素的降解,叶片内的叶绿素也就不再占据优势,相对稳定的叶黄素和胡萝卜素则会接过调色板,调配出叶片的黄色和橙色。
  图27:南京中山植物园航拍秋景(图片来源:南京中山植物园)
  在叶片的变色过程中,最壮丽的是红色。毛主席在《沁园春·长沙》中写道:"看万山红遍,层林尽染;漫江碧透,百舸争流。"红遍的山林是另一种色素在充当调色板的主角,它便是植物在应对秋季环境胁迫过程中生成的花青素。
  图28:南京中山植物园航拍秋景(图片来源:南京中山植物园)
  花青素是植物中广泛存在的水溶性色素,各色水果和花卉所呈现的色彩多数也与花青素有关。随着秋季温度下降、昼夜温差增大及日照时长缩短等不利因素,叶片内可溶性糖和花青素含量增多。此时,花青素在叶片内酸性环境下显红色,且花青素的含量越高,叶片红得也就越艳丽。
  图29:黄连木(图片来源:作者提供)
  植物内成分复杂多变,还有一种可以改变叶片颜色的物质,它便是单宁。在单宁的作用下,有时植物的叶片会呈棕褐色。有趣的是,单宁不但可以改变叶色,还可以提高植物的抗性,直接食用富含单宁的叶片或果实非常苦涩,这样就可以有效抵御鸟类或动物的取食,同时防御病虫的侵害。
  图30:悬铃木落叶(图片来源:作者提供)
  在多数情况下,叶片中含量最高的是叶绿素,此时叶片呈现出绿色。当遭遇逆境时,叶片内的叶绿色会逐渐分解,花青素慢慢生成,再加上叶黄素和胡萝卜素的共同参与,植物的叶片也就从绿色,逐渐向黄色、橙色、橙红到深红变化,成就层林尽染下的五彩斑斓。
  图31:层林尽染(图片来源:作者提供)
  还有一种情况,同一种植物在同一片区域会呈现出不同的色彩,如南京中山植物园燕雀湖畔的月牙堤上,种了许多乌桕树。每年十月中下旬,在月牙堤中间的两棵大乌桕树总是最先变红,其他乌桕次第变色,这应该是它们各自的生长状况和所处的小环境不同造成的。
  图32:南京中山植物园月牙堤航拍初秋景观(图片来源:南京中山植物园)
  所以说,植物叶片的变色与诸多因素有关,日照、温度、空气湿度、昼夜温差、土壤环境及生长状况等,都会影响叶片变色过程。
  在这寒风渐起的秋日里,植物用自己的方式,为我们献上了最静谧的温暖和浪漫。
  出品:科普中国
  作者:秦亚龙(江苏省中国科学院植物研究所·南京中山植物园)
  监制:中国科普博览
  编辑:孙晨宇
  中国科普博览是中科院科普云平台,由中科院计算机网络信息中心主办,依托中科院高端科学资源,致力于传播前沿科学知识,提供趣味科教服务。

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