雨淋對不同泡桐品系木材顏色的影響1)

許雅雅 常德龍 胡偉華 黃文豪 張?jiān)茙X

(經(jīng)濟(jì)林種質(zhì)創(chuàng)新與利用國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家林業(yè)和草原局泡桐研究開發(fā)中心)，鄭州，450003)

泡桐是玄參科泡桐屬(Paulownia)植物，落葉喬木[1]。原產(chǎn)我國，是重要的速生用材林樹種，在25個省(市、區(qū))有自然分布；越南等地亦有引種栽培[2]。泡桐生長快(7～8 a即可成材)，適應(yīng)性強(qiáng)，繁殖容易，是農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的重要來源之一[2-4]。此外，其隔音、阻燃、防潮性能良好，廣泛用于制作家具、室內(nèi)裝飾材料、樂器[5-6]等。泡桐木材作為速生輕質(zhì)木材，憑借其自身優(yōu)良的特性[7-8]，獲得了消費(fèi)者的認(rèn)可。

泡桐木材色淺，具有乳白絲絹光澤，質(zhì)感柔和；徑切面多呈帶狀紋，顏色不同的帶狀線條排列規(guī)律，通直美觀；泡桐木材的顏色白度、光澤度、紋理美觀度，是衡量其木材材質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[9-11]。泡桐木材擁有天然美觀的紋理色澤，符合市場需求。日本泡桐加工產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達(dá)，桐木產(chǎn)品精美，多為同類產(chǎn)品中的上品，價格也高出幾倍到幾十倍不等[2]，由此可見，我國桐木產(chǎn)品還有極高的附加值有待挖掘。

目前關(guān)于泡桐木材材性[12-15]、木材材色[8，16]的研究成果不多，對同種不同立地的泡桐材色之間的比較分析、泡桐材色隨時間變化趨勢等方面的研究較少。本研究針對泡桐主要資源品系，以白花泡桐(Paulowniafortunei)、毛泡桐(Paulowniatomentoda)、蘭考泡桐(Paulowniaelongata，產(chǎn)地包括甘肅天水和河南蘭考)、楸葉泡桐(Paulowniacatalpifolia)及優(yōu)良無性系毛白33(PaulowniaבTefu(TF)33’)、豫林1號(PaulowniafortuneiCL‘YL01’)木材為研究對象，分析了不同品系泡桐材色、不同部位泡桐材色、同種泡桐不同立地的材色差異、泡桐材色隨時間變化趨。此外，還對雨淋環(huán)保法優(yōu)化泡桐材色進(jìn)行探索。以往為了優(yōu)化泡桐材色，對其預(yù)處理往往采用浸泡的方式[17-19]，但這種方法會產(chǎn)生大量的污水，難以處理；本研究使用環(huán)保雨淋法對木材進(jìn)行預(yù)處理，利用自然的力量使泡桐木材材色趨于穩(wěn)定，使用極少的人力成本、資源成本，無毒無害，是一種節(jié)能環(huán)保的泡桐木材預(yù)處理方法。本研究結(jié)果可為探尋泡桐材色變化規(guī)律、環(huán)保型材色優(yōu)化方法、提升泡桐木材加工利用附加值提供參考。

1 材料與方法

以白花泡桐(Paulowniafortunei)、毛泡桐(Paulowniatomentoda)、蘭考泡桐(Paulowniaelongata)、楸葉泡桐(Paulowniacatalpifolia)、毛白33(PaulowniaבTefu(TF)33’)、豫林1號(PaulowniafortuneiCL‘YL01’)6種泡桐木材為試驗(yàn)材料(見表1)，其中蘭考泡桐分別來自河南蘭考縣、甘肅天水。每個樹種取6株樹，蘭考泡桐在2個立地各取6株樹。

表1 各品系泡桐試材基本信息(各采集6株樣樹)

將各品系泡桐木材分上、中、下木段，在每段鋸制8 cm厚的圓盤，圓盤分心部、中間部位、邊部，鋸制8塊試件，試件尺寸為70 mm×50 mm×12 mm，每個試件取其徑切面測量8次。材色測量利用國際發(fā)光照明委員會(CIE)規(guī)定的一套顏色測量方法，參照L*、a*、b*均勻色空間，進(jìn)行計(jì)算和分析泡桐材色數(shù)據(jù)。

每種選3株(蘭考泡桐選用河南蘭考泡桐)，將切取圓盤后的木段鋸制2 cm厚的板材，尺寸為400 mm×200 mm×20 mm，取其徑切板。將泡桐板材自然干燥后，在室內(nèi)干燥清爽環(huán)境下存放(年氣溫12～16 ℃，相對濕度45%～60%)，將板材平均區(qū)分為8個正方形，取其中心位置為測色點(diǎn)，每半年對其進(jìn)行測色，分析木材顏色隨時間變化趨勢。

將剩余木段鋸制板材(2 cm厚)，放置于湖北咸寧赤壁市(北緯29.46～29.91，東經(jīng)113.53～114.22，年平均氣溫16.9 ℃，降水量1 251～1 608 mm)戶外2 a，進(jìn)行自然雨淋；搭支架擺放，板材垂直橫梁放置(見圖1)，每周板面正反調(diào)換1次，使其均勻得到雨水沖刷。在雨淋處理后的板材上取樣，截取試件尺寸為400 mm×200 mm×20 mm，放置于試驗(yàn)室(河南新鄭，年均氣溫14.2 ℃)氣干3個月至平衡含水率(12±2)%；同時將前期采集的試件置于試驗(yàn)室(河南新鄭，年均氣溫14.2 ℃)內(nèi)同期存放，作為對照，平衡含水率可達(dá)(12±2)%；將試件刨削掉表層2 mm(去除表層的灰質(zhì)等物質(zhì))后，供材色指標(biāo)測試。

雨淋過程中每4個月對木材取樣測色，雨淋材的材色在2 a左右基本穩(wěn)定，因此設(shè)定了2 a的時間。自然雨淋包括雨淋及晾干的整個過程，日曬、雨淋溫濕度變化均會對材色產(chǎn)生影響，本試驗(yàn)將自然因素作為一個整體，分析以雨淋為主的自然因素對材色產(chǎn)生的影響。對照樣放置于室內(nèi)，排除雨淋和日曬等自然因素。

圖1 雨淋試驗(yàn)試件碼垛示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類泡桐材色差異

由表2可見：6種泡桐木材的白度(W)差異均達(dá)到顯著水平，木材白度由高到低依次為白花泡桐木材、毛白33木材、豫林1號木材、蘭考泡桐木材、楸葉泡桐木材、毛泡桐木材，其中湖南白花泡桐木材白度最高(67.56)、湖北毛泡桐木材白度最低(61.21)。湖北毛泡桐木材與湖南白花泡桐木材相比，色度指標(biāo)亮度(L*)、變紅度(a*)、變黃度(b*)、總色差(ΔE)、白度(W)在種間的差異均達(dá)到顯著水平，亮度最高的白花泡桐木材比亮度最低的毛泡桐木材高6.52。木材總色差，由小到大依次為蘭考泡桐木材、毛白33木材、白花泡桐木材、豫林1號木材、毛泡桐木材、楸葉泡桐，蘭考泡桐木材的色差比楸葉泡桐木材低5.42；山東楸葉泡桐木材的黃度和紅度均為6品系泡桐木材中最高的；白花泡桐木材紅度和黃度最低；蘭考泡桐木材白度不高，色差是6種材料中最低的，說明蘭考泡桐材色的均一性最好。

表2 各品系泡桐材色指標(biāo)

2.2 同種不同立地泡桐材色

由表3可見：|t|均小于t0.05；河南蘭考泡桐與甘肅蘭考泡桐色度指標(biāo)總色差(ΔE)、亮度(L*)、變紅度(a*)、變黃度(b*)、白度(W)，均無顯著差異，其中亮度、色差、白度的變化范圍不超過1。但是，由于生長于不同的立地條件，河南蘭考泡桐白度和亮度略高于甘肅蘭考泡桐，總色差也是蘭考泡桐較低；甘肅蘭考泡桐比河南蘭考泡桐偏紅、偏黃。不同產(chǎn)地的蘭考泡桐材色無顯著差異(見表4)。

表3 “甘肅蘭考泡桐-河南蘭考泡桐”木材材色指標(biāo)的成對樣本檢驗(yàn)

表4 甘肅蘭考泡桐、河南蘭考泡桐木材材色指標(biāo)

2.3 泡桐不同部位材色變化

(1)樹干不同高度材色變化。由表5可見：泡桐樹干下部、中部、頂部之間的色度指標(biāo)，總色差(ΔE)、亮度(L*)、變紅度(a*)、變黃度(b*)、白度(W)均具有極顯著差異(P<0.01)。亮度的極差值為1.43，中部的亮度值僅比頂部低0.49，而比下部高0.94；白度的變化趨勢與亮度相似，由大到小依次為頂部、中部、下部，極差達(dá)到1.46，中部比頂部低0.54、比下部高0.92；色差的極差值為1.92，頂部最低，下部最高；紅度和黃度由小到大依次為頂部、中部、下部，即泡桐木材顏色隨著高度的降低而變紅變黃。綜合分析，泡桐木材頂部材色品質(zhì)最好，中部稍差，下部最差。木材在生長過程中，頂部的生命活動比較旺盛，生命活動產(chǎn)生的有色產(chǎn)物的累積比較少，這是頂部材色品質(zhì)好的原因之一。

(2)徑向材色變化。由表5可見：泡桐木材圓盤直徑方向上，即圓盤心、中、邊部位的色度指標(biāo)，總色差(ΔE)、亮度(L*)、變紅度(a*)、變黃度(b*)、白度(W)均具有極顯著差異(P<0.01)。圓盤中心部位的亮度最好(72.81)，邊部次之(72.37)，中間部位最低(71.81)；白度變化趨勢與亮度相同，中心部位、邊部、中間部位白度，分別為63.69、63.36、62.8；總色差為中心部位最小，邊部與中間部位均較大，極差值為0.82；中間部位和中心部位的變紅度相同，比邊部位置高0.07，差異很??；變黃度，由大到小依次為中心部位、邊部、中間部，中心部位比中間部位高0.4。綜合分析，圓盤中心部位亮度(L*)、變紅度(a*)、變黃度(b*)、白度(W)均最大，色差最小，材色指標(biāo)表現(xiàn)最好，邊部次之，中間部位最低。

綜合分析表5數(shù)據(jù)表明，泡桐木材縱向材色的變異程度大于徑向材色的變異程度。

表5 樹干不同高度材色測定結(jié)果

2.4 木材顏色隨時間變化趨勢

由圖2可見：不同種類的泡桐在室內(nèi)干燥清爽環(huán)境下存放，隨著時間的變遷顏色有劣化趨勢。其主要原因在于這一階段，木材內(nèi)含物在自然干燥狀態(tài)下，有緩慢釋放并隨著水分向外遷移的趨勢，并且與空氣中的氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，特別是木材在加工成板材后變化尤為明顯，白度幾乎呈一定比例降低；但是，半年過后白度趨于穩(wěn)定，呈緩慢下降趨勢。泡桐木材在儲存過程中的顏色變化規(guī)律，經(jīng)歷時兩年五次顏色測試觀察，各品系泡桐均在干燥后半年內(nèi)白度變化明顯，其中前6個月楸葉泡桐相對下降了14%、甘肅蘭考泡桐下降了12%，其它幾種泡桐白度下降幅度非常接近，均在10%左右，以后持續(xù)下降，但下降速度較慢，且趨于一致；7種泡桐2 a后白度都基本下降了12%～14%。

圖2 不同種類泡桐木材白度隨時間變化規(guī)律

2.5 雨淋法對泡桐材色的影響

泡桐木材經(jīng)過反復(fù)的雨淋、干燥過程，水分反復(fù)浸入和滲出，木材內(nèi)部的發(fā)色物質(zhì)隨著水分逐漸擴(kuò)散、溶出，并被雨水沖刷走，進(jìn)而保證了木材材色的均勻性和穩(wěn)定性。由表6可見：，雨淋材亮度均高于未雨淋材的，雨淋試驗(yàn)對湖北毛泡桐木材的亮度影響最大，未雨淋泡桐木材的亮度為71.34，雨淋處理后的亮度為77.75，提升了9%；其次，受影響比較大的是豫林1號木材，對湖南白花泡桐木材的影響最小，白花泡桐亮度指標(biāo)值變化了1.63，提升了約2.1%。雨淋試驗(yàn)對其它幾種泡桐木材的亮度均有不同程度的影響，受雨淋試驗(yàn)影響程度，由大到小依次為湖北毛泡桐木材、山東豫林泡桐木材、山東楸葉泡桐木材、蘭考縣蘭考泡桐木材、甘肅蘭考泡桐木材、湖南白花泡桐木材。甘肅蘭考泡桐木材、湖北毛泡桐木材、山東豫林泡桐木材、蘭考縣蘭考泡桐木材、山東豫林1號木材、湖南白花泡桐木材的總色差，均低于未雨淋(對照)的木材，變化幅度分別為53.90%、70.60%、44.10%、37.20%、24.10%、19.80%，表明經(jīng)過雨淋處理后，泡桐的材色變得更穩(wěn)定均一。雨淋處理前的泡桐木材總色差變化范圍為4.36～7.78，處理后的泡桐木材總色差變化范圍為2.29～4.19，6種泡桐木材的總色差值更加接近。雨淋試驗(yàn)對6種泡桐木材白度的影響變化規(guī)律與亮度基本一致，白度提高幅度最大的為湖北毛泡桐木材，提高了12%；最低的為湖南白花泡桐木材，提高2.5%；6品系泡桐木材，均為雨淋處理后的白度高于處理前的。雨淋后，5品系泡桐木材變紅度提升，僅山東楸葉泡桐木材變紅度略有減小。雨淋后毛泡桐木材、白花泡桐木材變黃度升高，另外4品系木材變黃度降低。

3 結(jié)論

本研究以白花泡桐、毛泡桐、蘭考泡桐(產(chǎn)地包括甘肅天水和河南蘭考)、楸葉泡桐及優(yōu)良無性系毛白33、豫林1號木材為研究對象，分析了不同品系泡桐材色、不同部位泡桐材色、同種泡桐不同立地的材色差異、泡桐材色隨時間變化趨，還對雨淋環(huán)保法優(yōu)化泡桐材色進(jìn)行探索。

不同種泡桐木材，在顏色上都是不盡相同的。其中，白花泡桐木材的亮度、白度最高，紅度最低，色差也處于較低水平；蘭考縣蘭考泡桐木材，色差最小，僅為4.54；毛泡桐木材的亮度、白度最低，紅度、黃度也較高；豫林1號木材的紅度、黃度最高；楸葉泡桐色差最大，為9.96。

表6 各品系泡桐木材雨淋試驗(yàn)材色指標(biāo)值

甘肅蘭考泡桐木材與河南蘭考縣蘭考泡桐木材，亮度、色差、白度的變化范圍均不超過1，在材色上無顯著差異。由于不同的立地條件，蘭考縣蘭考泡桐木材白度和亮度略高，色差較小。

泡桐木材不同部位，材色差異很大。在軸向上，泡桐木材頂部材色綜合品質(zhì)最好，中部稍差，下部最差；在徑向上，圓盤心部、邊部位置材色綜合品質(zhì)較高，中間部位則較低。

隨著時間的變遷，泡桐木材顏色有劣化趨勢。其中，最初的半年時間內(nèi)，材色品質(zhì)下降最快；隨著時間的增加，材色品質(zhì)下降速度變緩。

雨淋后，材色更為均一，色差顯著變小，白度、亮度明顯變高，其中毛泡桐變化最大，木材亮度提升了9%，白度提升了10.81%。材色品質(zhì)受雨淋試驗(yàn)的影響程度，由大到小依次為湖北毛泡桐木材、山東楸葉泡桐木材、山東豫林泡桐木材、甘肅蘭考泡桐木材、蘭考縣蘭考泡桐木材、湖南白花泡桐木材。