红木类木材组织构造及材性的比较研究
王攀博 徐青 徐魁梧
摘要：本文运用传统的方法，从木材宏观及微观构造、荧光反应三个方面，对常见红木类木材进行比较研究并实现初步分类。在此基础上，使用X-Rite公司分光仪采集试样表面视觉物理量，基于L*a*b*均匀颜色空间对木材表面颜色进行比较研究，利用Ava公司的AvaSpec-2048型光谱仪采集试样表面近红外光谱数据，运用模式识别方法进行木材分类的研究。 关键字：红木类木材、比较研究
Abstract: Comparative studies of Rosewood species were conducted in traditional ways including macrostructure 、microstructure and fluorescence reaction. Wood surface visual parameters measured by X-Rite were discussed based on L*a*b* uniform color space. Near infrared spectra parameters were also mearsured by AvaSpec-2048. The wood identification was studied combined with pattern recognition. Key words: Rosewood species、comparative studies
红木，根据国家标准定义，是当前国内家具用材约定俗成的名称。共有33个树种，归为紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、红酸枝木、乌木、条纹乌木和鸡翅木8类，隶属于紫檀属、黄檀属、柿属、崖豆属及铁刀木属。本文概述了红木资源的分布情况。运用传统的方法，从木材宏观及微观构造、荧光反应三个方面，对常见红木类木材进行比较研究并实现初步分类。运用现代方法，从木材表面视觉物理量、近红外光谱两个角度比较研究了常见红木类木材。
1 红木类木材资源分布概述
我国有天然分布的红木树种仅有降香黄檀( Dalbergia odorifera) 、黑黄檀( Dalbergia fusca) 2 个种。降香黄檀为我国海南特有种、国家二级保护植物,属蝶形花科
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黄檀属,半落叶乔木 , 主要零星分布于海南西部、西南部和南部的东方、昌江、乐东、
[4 ,5]
白沙及崖县等地；黑黄檀为国家二级保护植物,属蝶形花科黄檀属,落叶乔木 ,主要分布于云南南部的西双版纳州、思茅地区,海拔为700～1 700m 的山地,此外绿春、元江也有零星分布。目前,我国已引种并开展过人工栽培的红木树种主要有铁刀木( Cassia siamea) 和印度紫檀( Pterocarpus i nducus) 2 个种。我国引种栽培铁刀木的历史悠久,目前我国的云南、广东、海南、广西、福建等地均有种植。印度紫檀于20 世纪初期引入我国,现在云南、海南、广东、广西、台湾均有少量栽培。 其它引种红木树种 ,如囊状紫檀( Pterocarpus marsupium) 、檀香紫檀( P.santalinus) 、阔叶黄檀( D.latif olia) 、东非黑黄檀( D.melanoxylon) 、巴西黑黄檀( D.nigra) 、乌木( Diospyros ebenum) ,现主要种植于华南地区各热带树木园、植物园,但尚未扩大栽培。
国标规定的33种红木类木材在国外主要分布在印度、东南亚地区、热带非洲以及拉丁美洲地区。
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2 传统研究方法
2.1宏观特征比较研究
共采集了八种常见红木类木材的宏观构造图像，包括刺猬紫檀、大果紫檀、非洲崖豆木、白花崖豆木、交趾黄檀、卢氏黑黄檀、赛州黄檀、微凹黄檀。
研究了八种红木类木材的宏观构造。
2.2微观特征比较研究
共制作了刺猬紫檀、赛州黄檀、交趾黄檀三种红木类木材的三切面切片，采集了其横切面、弦切面、径切面微观构造图片。
研究了三种红木类木材的微观构造。
2.3 荧光反应
以市场上常见的红木类木材作为研究对象，材料部分来源于木材工业学院木材标本室，部分从市场采购。实验红木种类：鸟足紫檀、大果紫檀、印度紫檀、刺猬紫檀、奥氏黄檀、卢氏黑黄檀、赛州黄檀、交趾黄檀、巴厘黄檀、铁豆木。
实验得到，在所有实验样本中，木屑浸泡液出现荧光的为鸟足紫檀、大果紫檀、印度紫檀、刺猬紫檀，皆为花梨木类，其中印度紫檀出现荧光反映用时较短，相对明显，刺猬紫檀最不明显，且实验过程中发现，刺猬紫檀的荧光分散在溶液中，而其余三种红木的荧光聚集在溶液的上部。其余六种试样，奥氏黄檀、卢氏黑黄檀、赛州黄檀、交趾黄檀、巴厘黄檀、铁豆木没有观察到荧光。
2.4 部分红木类木材检索表
木材的材性是木材鉴别的依据。通过采集常见红木类木材的宏观构造图片、微观构造图片，观察其主要特征并进行比较研究，以及通过观察其荧光反应，可以实现对以下12种红木的初步分类与鉴别。编制检索表如下：
1 木射线组织同形…………………………………………………………………………2 1 木射线组织异形…………………………………………………………………………8 2 木屑浸出液有荧光……… ……………………………………………………………3 2 木屑浸出液未见荧光………………………………………………………………… 4 3 木材几无香气……………………………………………………………………刺猬紫檀 3 木材香气显著……………………………………………………………………大果紫檀 4 心材主为红褐色及紫黑色……………………………………………………卢氏黑黄檀 4 心材新切面暗红褐色、橘红褐色至红褐色……………………………………………5 5 散孔材，半环孔材或倾向不明显………………………………………………微凹黄檀 5散孔材，半环孔材或倾向明显……………………………………………………………6 6 轴向薄壁组织主为翼状及/或傍管带状………………………………………非洲崖豆木，
白花崖豆木
6 轴向薄壁组织主为细线及/或窄带状……………………………………………………7 7 有异形Ⅲ型射线组织倾向；气干密度>1.0g/cm……………………………赛州黄檀 7无异形Ⅲ型射线组织倾向；气干密度<1.0g/cm……………………………印度黄檀 8 心材全部乌黑，浅色条纹稀见……………………………………………………乌木，
厚瓣乌木
8 心材黑或栗褐色，带黑色及栗褐色条纹…………………………………苏拉威西乌木,
菲律宾乌木
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3 现代研究方法
3.1 基于L﹡a﹡b﹡颜色空间对木材表面的比较研究
以市场上常见的红木类木材作为研究对象，试样经长期室温条件下气干，被测面使用压刨床精刨加工平整。实验仪器为美国爱色丽（X-Rite）公司生产的分光仪。
实验结果如下表：
表1 L、a、b、△E测量值
名 称（产地） 平均值 刺猬紫檀1（非洲） 刺猬紫檀2（非洲） 刺猬紫檀3（非洲） 大果紫檀（东南亚） 白花崖豆木（缅甸） 非洲崖豆木（非洲） 交趾黄檀 赛州黄檀 微凹黄檀（危地马拉） 卢氏黑黄檀 50.66 38.60 50.48 47.74 35.04 43.53 34.95 35.13 31.33 31.43 L a 标 准 偏 差 1.93 4.42 4.36 1.81 1.09 3.00 3.96 1.88 1.48 1.53 平均值 b △E 标 准 偏 差 20.58 0.80 10.46 4.05 22.54 2.46 19.56 4.08 4.92 0.42 15.81 3.10 11.01 4.31 7.32 0.60 6.34 2.03 3.84 0.90 标 准 平 均值 标 准 平均值 偏 差 偏 差 23.04 1.05 15.74 2.87 24.65 3.22 20.44 1.43 9.47 1.11 20.01 1.88 14.49 5.05 5.34 1.37 13.91 2.34 6.81 1.02 12.47 0.59 13.74 1.01 19.68 1.51 18.15 0.73 7.66 1.04 9.18 0.40 17.27 6.33 6.51 0.71 14.71 2.26 13.44 1.67 CIE （1976）L*a*b*均匀颜色空间是由国际照明委员会在CIE（1931）基础上制定的，它在三维色空间的各个坐标轴方向上均具有视感知觉的等距性，而且细分了明度指数和色品
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指数的级差。表格中，L*的标准偏差表示颜色深浅的差异；a*的标准偏差表示黄-蓝通道上色调的差异、b*的标准偏差表示红-绿通道上色调的差异。而△E为色差，表示色知觉差
异，是L*a*b*三项偏差综合的结果。
由表3数据可知，刺猬紫檀、大果紫檀照度L主要分布在47至51，它们都是花梨木类，木材表面较亮；白花崖豆木、非洲崖豆木照度L主要分布在35至43，它们都是鸡翅木类，木材表面次亮；交趾黄檀、赛州黄檀、微凹黄檀、卢氏黑黄檀照度L主要分布在31至34，它们都属于黄檀属黑酸枝类或红酸枝类，木材表面最暗。可见，由L值得到的木材表面亮度与肉眼观察的相一致，并且将亮度数值化，测得花梨木类、鸡翅木类、酸枝类的L数值分布区间，有助于红木的分类。所有实验样本的a和b的数值均大于0，表明红木木材颜色分布在红黄色系，其中刺猬紫檀、大果紫檀、非洲崖豆木b值明显大于其余实验样本，表明其木材表面偏黄色。由表数据可知，卢氏黑黄檀的△E值最小，表明卢氏黑黄檀木材表面颜色分布均匀，而刺猬紫檀、大果紫檀的△E值最大，表明其木材表面颜色分布差异较大。
3.2 基于近红外光谱对木材的比较研究
以市场上常见且较易收集的红木类木材（大果紫檀、刺猬紫檀、东南亚鸡翅、非洲黄鸡翅）作为研究对象，试样经长期室温条件下气干，被测面使用压刨床精刨加工平整。实验仪器为AvaSpec-2048型光纤光谱仪、DK-S24电热恒温水浴锅。 3.2.1木材心边材光谱比较分析 交趾黄檀心材 交趾黄檀边材 图1交趾黄檀心边材光谱图 3.2.1木材心边材光谱比较分析
交趾黄檀心边材谱图见图1。通过比较以上交趾黄檀的心边材光谱图，心边材光谱图之间存在明显的差异。而同一种木材中心边材最大的差异是丰富而又具有内涵的抽提物，因此它们之间的差异反映木材抽提物。 3.2.2木材抽提前后光谱的比较分析
对微凹黄檀、交趾黄檀、刺猬紫檀热水抽提前后的光谱图进行横向比较分析，可以看出，抽提前后的谱图在1500~3500cm-1之间存在较大的差异，抽提前后木材化学成分相差较大的即为抽提物，因此这些差异反映了木材抽提物。同时将抽提后光谱作纵向比较，抽提后谱图之间的差异较小，明显没有抽提前光谱差异大。这也说明木材特征光谱的区别，反映木材抽提物。
3.2.3大果紫檀和刺猬紫檀的鉴别
图2和图3为大果紫檀和刺猬紫檀的光谱图。依据以上分析的结论（光谱之间的差异反映丰富而具内涵的抽提物）和图中分析可以看出,样本的指纹区存在较为明显的差异，尤其是650~900nm波段内。因此选择650~900nm波段的数据进行判别分析。
图2 大果紫檀光谱图 图3 刺猬紫檀光谱图
对所选波段的光谱数据选用了标准化转换，欧式平方距离，离差平方和法进行聚类分析，聚类分析树形见图4，其中1~30为大果紫檀，31~60为刺猬紫檀，从树形图上可以清晰的看出，大果紫檀与刺猬紫檀有明显的聚类效果，当欧式平方距离在17~60范围内时，所有的树种被清晰地分为两类，具体的统计结果见表2。
图4 大果紫檀与刺猬紫檀聚类分析树形图
表2大果紫檀与刺猬紫檀分类结果
样本分类结果 大果紫檀 大果紫檀 刺猬紫檀 总计 26 1 刺猬紫檀 4 29 30 30 60 4 1 5 86.7% 96.7% 91.7% 小计 错判数 正确率 从试验结果可以看出，96.3%的大果紫檀和86.7%的刺猬紫檀都得到准确鉴别，取得了满意的判别分类结果。
4 结果与讨论
1）通过调查研究，查阅文献，了解了红木类木材的资源分布情况。
2）采集了常见红木类木材的宏观及微观构造图像，深入研究了其构造特征，对常见树种进行了荧光反应，观察其是否发生荧光反应，并记录了发生荧光反应所需时间，较好地实现了对部分红木类木材的分类。
3）通过采集木材表面视觉物理量，基于L*a*b*均匀颜色空间对木材表面颜色进行了比较研究，得到了常见红木类木材表面颜色的照度、色调、色差，为从木材颜色角度识别木材提供了数值支持。
4）通过近红外光谱技术与聚类分析的模式识别方法相结合，对多组木材实现了较高准确率的识别分类。验证了运用近红外光谱识别木材的可行性。
5）验证了木材特征光谱的区别反映木材抽提物。
参考文献
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