云南50種針葉材表面視覺特性和細胞結(jié)構(gòu)對總色差的影響

朱培琦 何鑫 陳松陽 曹秀龍 邱堅

摘 要：為探究云南常見針葉材的表面視覺特性、微觀細胞結(jié)構(gòu)對表面總色差（ΔE*）的影響，測量和計算云南50種針葉材的表面視覺物理量參數(shù)，并進行聚類分析、相關性等分析，深入研究50種針葉材表面視覺物理量的分布特征、各項視覺物理量參數(shù)之間的相關關系、微觀細胞結(jié)構(gòu)對ΔE*影響的顯著性以及不同顏色類型木材的加工利用特性。結(jié)果表明，云南50種針葉材的明度（L*）分布42.02～77.55，紅綠色品指數(shù)（a*）分布7.34～18.18，黃藍色品指數(shù)（b*）分布19.70～32.82，色彩飽和度（C*）分布23.30～34.25，色調(diào)（h°）分布55.66～73.48，a*普遍較低，基本屬于黃色的色調(diào)范圍，除紅豆杉屬（Taxus）偏向深紅褐色的色調(diào)。根據(jù)最遠鄰元素聚類算法50種針葉材主要被分為４類，第Ⅰ類為柏木屬（ Cupressus）、福建柏屬（Fokienia）、刺柏屬（Juniperus）、側(cè)柏屬（Platycladus）、白豆杉屬（Pseudotaxus）、杉木屬（Cunninghamia）、水杉屬（Metasequoia）以及部分松科（Pinaceae）樹種；第Ⅱ類為柳杉屬（Taiwania）、云杉屬（Picea）以及部分松科樹種；第Ⅲ類為臺灣杉屬（Taiwania）和部分松科樹種；第Ⅳ類為紅豆杉屬、刺柏屬以及落葉松屬（Larix）的怒江紅杉（Larix speciosa）。50種針葉材視覺物理量的L*、h°分別與a*之間呈顯著的負相關； L*與h°呈顯著的正相關；C*與b*呈顯著的正相關；色差參數(shù)方面，Δa*、Δb*分別與ΔC*呈顯著的正相關，Δa*與色調(diào)Δh°呈顯著的負相關。50種針葉材樹種的軸向薄壁組織對ΔE*的影響水平顯著；平均管胞長度與射線管胞二者的交互作用對ΔE*的影響水平顯著。

關鍵詞：針葉材；木材顏色；視覺物理量；色差；IAWA 特征編碼

中圖分類號：S781 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0091-09

Abstract：To explore the surface visual characteristics， the influence of microcellular structure on the surface total color difference （ΔE*） of common softwood in Yunnan， the surface visual physical magnitudes of 50 species of softwood in Yunnan were measured and calculated. Cluster analysis， correlation analysis， and other methods were used to study the distribution characteristics of the surface visual physical magnitudes of 50 species of softwood， the correlation between various visual physical magnitudes， the significance of the influence of microcellular structure on ΔE*， and the processing and utilization properties of wood with different color types. The results showed that the distribution of lightness （L*） of 50 species of softwood in Yunnan ranged from 42.02 to 77.55， the red-green chromaticity index （a*） ranged from 7.34 to 18.18， the yellow-blue chromaticity index （b*） ranged from 19.70 to 32.82， the color saturation （C*） ranged from 23.30 to 34.25， and the hue angle （ h°） ranged from 55.66 to 73.48. The a* value was generally low and belonged to the yellow tone range， except for the Taxus which tended to be in the dark reddish-brown tone range. According to the furthest neighbor clustering algorithm， 50 species of softwood were mainly divided into 4 categories. Class I includes Cupressus， Fokienia， Juniperus， Platycladus， Pseudotaxus， Cunninghamia， Metasequoia， and some Pine species. Class Ⅱ includes Taiwania， Picea， and some Pine species. Class Ⅲ includes Taiwania and some Pine species. Class Ⅳ includes Taxus， Juniperus， and Larix from the Larix speciosa. There was a significant negative correlation between L* and a*， h° and a*. There was a significant positive correlation between L* and h°， C* and b*. As for color difference parameters， Δa* and Δb* were significantly positively correlated with ΔC* respectively. Δa* was significantly negatively correlated with Δh°. The influence of the axial parenchyma on ΔE* was significant， and the interaction between the average tracheid length and ray tracheids was significant.

Keywords：Softwood; wood color; visual physical magnitude; color difference; IAWA feature code

基金項目：國家自然科學基金面上項目（31971586）；云南省教育廳科學研究基金項目（2020J0400）

第一作者簡介：朱培琦，碩士研究生。研究方向為木材識別與鑒定。E-mail： 1065825204@qq.com

*通信作者：邱堅，博士，教授。研究方向為生物質(zhì)材料。E-mail： qiujian@swfu.edu.cn

0 引言

木材的顏色是木材重要的物理光學性質(zhì)，木材的視覺特性包括木材的顏色、木材的表面光澤度等[1]。木材的顏色直接影響著木制品的質(zhì)量和木材的環(huán)境學特性等諸多方面，自20世紀八九十年代日美等國家已經(jīng)開展了大量材色與木材居住性、木質(zhì)材料環(huán)境科學的研究，包括不同日照強度和日照周期對木材表面顏色變化的影響[2]、木材顏色特性與遺傳的研究[3]、木材的自然風化與熱處理對木材顏色變化的研究以及木材的表面的色差評估的研究等[4-5]。我國學者開展了很多關于木材視覺物理量的分析和研究，包括對東非黑黃檀木材材色的研究[6]；對多種木材樣本材色進行色度學參數(shù)測量并結(jié)合用戶對樣本材色的感知評價和心理，采用正交試驗方法分析不同材色的設計特征，為設計中木材顏色的確定提供參考[7]；通過將木材表面的RGB顏色參數(shù)轉(zhuǎn)換為YCbCr參數(shù)，提取紅木類木材的紋理特征[8]；對8種木材的弦切面視覺物理量參數(shù)進行聚類分析[9]；對熱處理溫度或時間對木材顏色變化影響的研究[10-14]；對木材顏色和耐光度以及光澤度[15-16]等方面進行了深入的研究和探討。云南作為全國第二大森林資源大省，資源量大、樹種豐富，目前尚未有專門對云南常見針葉材的材色進行定量化的研究。因此，筆者通過對采集自云南省各林區(qū)的50種針葉材的表面視覺物理量參數(shù)進行了測量、計算和分析，探討了50種針葉材視覺物理量的分布特征和聚類特點、各項參數(shù)的相關性、微觀細胞結(jié)構(gòu)對表面總色差的影響以及分析不同顏色類型木材的加工利用特性。以期為國內(nèi)針葉材木材制品和裝飾木材等相關行業(yè)的生產(chǎn)和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用的試驗材料包括50種針葉材標本，均來自西南林業(yè)大學木材標本館，標本的采集地點均來自云南省各林區(qū)，標本自采集后就立即進行了殺菌、消毒和干燥處理（含水率控制在15%以下），并一直保存在避光、恒溫和恒濕的標本庫中，降低并維持標本的含水率，防止標本因后期含水率過高而造成內(nèi)部抽提物產(chǎn)生化學反應以及藍變、褐變、霉變。每個樹種選取5塊無缺陷的試樣，試樣的規(guī)格為120 mm（長）×65 mm（寬）×15 mm（厚）含心材部分的弦切板。50種針葉材試樣材料詳見表1。

1.2 試驗設備和儀器

多功能打磨機：臺式多功能臺磨（永康市新紀元工貿(mào)有限公司，中國），轉(zhuǎn)速800～10 000 r/min。全自動色差測量儀：HITACHI307型SC-80C 全自動色差計（北京康光儀器有限公司，中國），光源為D65標準光源，照明和觀測幾何條件為0/d（垂直入射/漫反射），觀測者視場范圍為10°，測量孔徑為18 mm。

1.3 試驗方法

1.3.1 試樣處理與木材表面視覺物理量參數(shù)的測定方法

為了避免木材表面灰塵和滲出物以及標本表面被空氣氧化而影響木材表面視覺物理量的測定結(jié)果，測定前使用250、800、1 000目的砂紙對每個試樣進行打磨。50種針葉材各選取5塊無缺陷的試樣，每塊試樣的弦切板芯材部分選擇3個測點，每個樹種測量15組數(shù)據(jù)。使用全自動色差計測定木材表面的視覺物理量的明度（L*）、紅綠軸色品指數(shù)（a*）、黃藍軸色品指數(shù)（b*）。

1.3.2 視覺物理量參數(shù)的計算方法

采用國際照明委員會CIE（1976）L*a*b*標準色度學系統(tǒng)表征顏色。利用全自動色差計測量并記錄L*、a*、b*。將測量出的數(shù)據(jù)按照L*a*b*表色系統(tǒng)（CIE 1976）公式計算C*（色彩飽和度）、h°（色調(diào)）、ΔL*（明度差）、Δa*（紅綠軸色品指數(shù)差）、Δb*（黃藍軸色品指數(shù)差）、ΔC*（色度差）、Δh°（色調(diào)差）以及ΔE*（總色差），計算公式如下

式中，參照值L*0、a*0、b*0、C*0、h°0表示測定樹種的第1個測點數(shù)據(jù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材視覺物理量的分布

采用全自動色差測量儀測量50種針葉材試樣表面視覺物理量，并根據(jù)相關公式計算得到C*和h°。50種針葉材的表面視覺物理量見表1。

根據(jù)表1的L*、a*、b*視覺物理量的平均值可以獲得云南50種針葉材視覺物理量的分布情況，如圖1所示。L*分布在42.02～77.55，紅豆杉的L*最低，紅皮云杉的L*最高；紅豆杉屬的木材顏色偏暗，對可見光的吸收率高，反射率低，因此明度較低；云杉屬和冷杉屬的木材顏色偏黃，對可見光的反射率高，因此明度較高。a*分布在7.34～18.18，日本柳杉的a*最低，大果紅杉的a*最高；由于紅豆杉屬木材表面對紅色波段的反射率較高，故紅豆杉屬的木材顏色都偏向于紅褐色； 90%以上的樹種a*平均值都分布在7～15。b*分布在19.70～32.82，西藏紅豆杉的b*最低，福建柏的b*最高；木材的顏色基本都是黃色，因此b*都較高。

2.2 聚類分析

通過最遠鄰元素聚類算法對50種針葉材的L*、a*、b*的平均值進行聚類分析，結(jié)果主要分為4類，如圖2所示。

第Ⅰ類：L*分布在63.16～74.72，a*分布在8.45～13.63，b*分布在24.98～32.82，C*分布在27.47～34.23，h°分布在65.43～73.50（表2）。包括干香柏、金錢松、華北落葉松、杉木、白豆杉、黃花落葉松、云南松、水杉、冷杉、麗江鐵杉、紅松、馬尾松、福建柏、側(cè)柏、刺柏、歐洲赤松、秦嶺冷杉、巴山冷杉、落葉松、華山松、白皮松和臺灣松。此類木材主要為柏木屬、福建柏屬、刺柏屬、側(cè)柏屬、白豆杉屬、杉木屬、水杉屬以及部分松科樹種。

第Ⅱ類：L*分布在67.19～77.55，a*分布在7.34～13.60，b*分布在21.50～28.49，C*分布在23.25～30.27，h°分布在60.39～72.10（表2）。包括蒼山冷杉、急尖長苞冷杉、臭冷杉、思茅松、油松、魚鱗云杉、紅皮云杉、中甸云杉、冷杉*、柳杉、青海云杉、青杄、麗江云杉、云南鐵杉、鐵杉、喬松、油麥吊云杉、云杉和日本柳杉。此類木材主要為柳杉屬、云杉屬以及部分松科樹種。

第Ⅲ類：L*分布在58.45～62.20，a*分布在12.91～18.18，b*分布在26.17～28.66，C*分布在29.56～33.52，h°分布在57.15～65.18（表2）。包括大果紅杉、華南五針松、黑松和臺灣松。此類木材主要為臺灣杉屬和部分松科樹種。

第Ⅳ類：L*分布在42.02～54.31，a*分布在13.54～16.41，b*分布在19.70～24.69，C*分布在23.90～29.65，h°分布在55.50～59.76（表2）。主要包括方枝柏、怒江紅杉、云南紅豆杉、紅豆杉和西藏紅豆杉。此類木材主要為紅豆杉屬。

對4類木材的視覺物理量L*、a*、b*、C*、h°進行比較分析，結(jié)果表明：Ⅱ類的L*平均值最高，其次為Ⅰ類、Ⅲ類，Ⅳ類的L*平均值最低；Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類的L*分布相對集中，Ⅳ類的L*分布相對分散；Ⅰ和Ⅱ類的L*呈略右偏分布，Ⅲ類和Ⅳ類的L*呈接近正態(tài)分布，如圖3（a）所示。Ⅲ類的a*平均值最高，其次為Ⅳ類、Ⅰ類，Ⅱ類的a*平均值最低；Ⅰ類和Ⅳ類的a*分布相對集中，Ⅱ類和Ⅲ類的a*分布相對分散；Ⅲ類和Ⅳ類的a*呈現(xiàn)較為明顯的右偏分布，如圖3（b）所示。Ⅰ類的b*平均值最高，其次為Ⅲ類、Ⅱ類，Ⅳ類的b*平均值最低；Ⅱ和Ⅲ類的b*分布相對集中，Ⅰ類和Ⅳ類的b*分布相對分散；Ⅲ類和Ⅳ類的b*呈明顯的左偏分布，如圖3（c）所示。Ⅲ類的C*平均值最高，其次為Ⅰ類、Ⅳ類，Ⅱ類的C*平均值最低；Ⅰ類的C*呈略右偏分布，Ⅳ類的C*呈現(xiàn)明顯的左偏分布，如圖3（d）所示。Ⅰ類的h°平均值最高，其次為Ⅱ類、Ⅲ類，Ⅳ類的h°平均值最低；Ⅰ類和Ⅳ類的h°分布相對集中，Ⅱ類和Ⅲ類的h°分布相對分散；Ⅱ類的h°呈現(xiàn)較為明顯的左偏分布，如圖3（e）所示。Ⅰ類和Ⅱ類的木材顏色都偏黃色，Ⅰ類木材對黃色波段的吸收率相對更低，因此Ⅰ類木材的黃色更深，Ⅱ類木材對可見光的吸收較少，因而Ⅱ類木材的明度值最高。Ⅲ類木材顏色主要呈現(xiàn)淡紅褐色或黃色，因此a*和b*都偏高。Ⅳ類木材以暗紅褐色為主，a*和C*偏高。

2.3 相關性分析

木材的各項視覺物理量之間的相關性一般都揭示了木材表面的顏色特性[21]。通過對云南50種針葉材的L*、a*、b*、C*、h° 5個視覺物理量的平均值和ΔL*、Δa*、Δb*、ΔC*、Δh°、ΔE* 6個色差參數(shù)的平均值進行Spearman相關性分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知， L*、h°分別與a*之間呈顯著的負相關，表明針葉材表面紅色越深（a*越大），相應的對可見光的吸收率增大（L*降低）色調(diào)也偏紅（h°越?。?。L*與h°呈顯著的正相關，表明針葉材表面呈黃色調(diào)比紅色調(diào)對可見光的反射率更高。C*與b*呈顯著的正相關，表明針葉材表面對黃色波段的反射率較高，黃色的純度較高。色差參數(shù)方面，Δa*、Δb*與ΔC*呈顯著的正相關；Δa*與Δh°呈顯著的負相關，表明針葉材的Δh°主要受到木材表面a*差異的影響。

2.4 木材細胞的結(jié)構(gòu)對木材表面總色差ΔE*的影響

有文獻報道指出，木材表面顏色的不均勻性，可能是因為其由大小和形狀不一的細胞所組成[17]。

依據(jù)《IAWA List of Microscopic Features for Softwood Identification》對照表并選擇反映木材中不同細胞大小和形狀的5個特征組，①IAWA code 50～51，平均管胞長度（變量分組為：短（＜3 000 μm）、中等（3 000～5 000 μm））；②IAWA code 72，軸向薄壁組織（變量分組為：存在、少見或未見）；③IAWA code 79～80，射線管胞（變量分組為：普遍存在、偶見或少見）；④IAWA code 102～105，木射線細胞高度（變量分組為：很低（少于5個細胞）、中等（5～15個細胞）、高（16～30個細胞）、很高（大于30個細胞））；⑤IAWA code 118，晶體（變量分組為：存在、未見）。識別出50種針葉材解剖特征中存在以上5個特征項，并將這50種針葉材的特征項結(jié)果作為變量因子、總色差ΔE*作為因變量進行方差分析，分析結(jié)果見表3。

由表3可知，軸向薄壁組織（因素1）、平均管胞長度與射線管胞的交互作用（因素2）分別對ΔE*的影響顯著。

2.5 云南50種針葉材的視覺特性和加工利用性質(zhì)

木材表面視覺物理量與木材的視覺心理有著密切的關系[18]，本研究選擇的50種針葉材是云南常見針葉材樹種，并且多數(shù)是市場上常見的家具、工藝品、門窗、地面材及裝飾材等常用原料，根據(jù)不同類型木材視覺物理量的特點分析其視覺心理特征與加工利用特性之間的關系。對2.2聚類的4類木材的加工利用性質(zhì)分析如下：Ⅰ類和Ⅱ類木材表面的材色明快、舒適且大多數(shù)樹種較為常見，較適用于生產(chǎn)建筑用料和大多數(shù)木制品；Ⅲ類木材表面的材色溫暖，適用于生產(chǎn)室內(nèi)建筑材料和家具等；Ⅳ類木材表面的材色豪華、深沉、素雅，適用于生產(chǎn)家具、工藝品、樂器、雕刻和地面材等。根據(jù)色差分級（表4），本研究的50種針葉材的平均總色差ΔE*分布在1.34～7.69（色差級別為2～5），色差級別為2的樹種包括：紅皮云杉、麗江鐵杉；色差級別為3的樹種包括：福建柏、刺柏、怒江紅杉、白皮松、思茅松和紅豆杉；色差級別為4的樹種包括：干香柏、側(cè)柏、方枝柏、秦嶺冷杉、蒼山冷杉、冷杉、巴山冷杉、中甸冷杉、臭冷杉、急尖長苞冷杉、冷杉、落葉松、黃花落葉松、大果紅杉、華北落葉松、油麥吊云杉、青海云杉、魚鱗云杉、麗江云杉、云杉、青杄、華山松、喬松、華南五針松、馬尾松、歐洲赤松、油松、臺灣松、黑松、云南松、金錢松、鐵杉、西藏紅豆杉、柳杉、日本柳杉、水杉和臺灣杉；色差級別為5的樹種包括：紅松、云南鐵杉、白豆杉、云南紅豆杉和杉木。

3 結(jié)論與討論

本研究定量測量了云南50種針葉材的表面視覺物理量并計算了各項參數(shù)，對視覺物理量的分布特征、聚類特點、各項視覺物理量之間的相關性、木材細胞結(jié)構(gòu)對木材表面總色差ΔE*的影響以及各類木材的加工利用性質(zhì)進行了分析和研究，得出以下結(jié)論。

1）50種針葉材的a*普遍較低，基本屬于黃色色調(diào)的范圍，除紅豆杉偏向于紅色色調(diào)。木材表面的視覺物理量數(shù)據(jù)分布表明多數(shù)針葉材對可見光的黃色波段的吸收率相對更低。

2）聚類分析結(jié)果主要分為4類：第Ⅰ類木材b*和C*相對較高，木材表面顏色色調(diào)偏黃、色彩純度相對較高；第Ⅱ類木材L*和h°相對較高，木材表面顏色色調(diào)偏黃、明度高；第Ⅲ類木材a*和C*相對較高，木材表面顏色色調(diào)偏淡紅色、色彩純度相對較高；第Ⅳ類木材a*相對較高， b*、L*和h°相對較低，木材表面顏色色調(diào)偏紅、主要呈暗紅褐色。

3）L*、h°分別與a*之間呈顯著的負相關；L*與h°呈顯著的正相關； C*與b*呈顯著的正相關。色差參數(shù)方面，Δa*、Δb*分別與ΔC*呈顯著的正相關；Δa*與Δh°呈顯著的負相關。

4）軸向薄壁組織（因素1）對總色差ΔE*的影響水平顯著；平均管胞長度與射線管胞二者的交互作用（因素2）對總色差ΔE*的影響水平顯著。

5）根據(jù)不同類型木材的表面視覺物理量參數(shù)的特點，聚類的4組木材的加工利用性質(zhì)分析如下：Ⅰ類和Ⅱ類木材適用于生產(chǎn)建筑用料和大多數(shù)木制品；Ⅲ類木材適用于生產(chǎn)室內(nèi)建筑材料和家具等；Ⅳ類木材適用于生產(chǎn)家具、工藝品等。50種針葉材的平均總色差ΔE*分布在1.34～7.69，色差級別處于2～5。

由于3大素的含量基本占針葉材總量的90%以上，這些成分中只有木質(zhì)素對可見光具有很強的吸收（80%～95%的吸收可歸因于木質(zhì)素）并且是使木材表面呈現(xiàn)黃色的主要原因，而其他提取物的含量則對木材的色調(diào)起到重要的主導作用，尤其是提取物的含量與紅色色調(diào)相關，因此a*與L*、h°和C*都存在著不同程度的相關性。從木材細胞結(jié)構(gòu)對木材表面總色差ΔE*影響的方差分析結(jié)果來看，僅軸向薄壁細胞（單因素）與ΔE*具有顯著性，可能木材表面ΔE*存在部分原因是由軸向薄壁細胞的大小和形狀不同所造成，但是此次試驗并未考慮到不同細胞的數(shù)量、細胞的組合排列方式和細胞中的主要化學成分等其他因素。未來將針對材色與細胞結(jié)構(gòu)以及木材中次生代謝產(chǎn)物的相關性進行深入研究。

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