秋季落叶色彩变换之美
本博文的灵感来自 John Seymour，他也被称为“数学小子 John” (http://johnthemathguy.com/)。
2016 年，John 写了一篇关于他的卫矛（学名 euonymus alaus）的博文，提到了它在 9 月份开始发生色彩演变 (http://johnthemathguy.blogspot.com/2016/09/the-color-of-leaves.html)。在他的文章中，他挑选了几片叶子，并绘制了 CIE a* 和 b* 图表以及每片叶子的光谱曲线。
由于枫树在该地区非常常见，我决定研究两种枫树的色度表现：acer rubrum（又名红枫：https://en.wikipedia.org/wiki/Acer_rubrum）和 acer platanoides（又名挪威枫：https://en.wikipedia.org/wiki/Acer_platanoides）。请注意，下文提到的所有叶子均采集于 2017 年 10 月的同一时期。因此，每片叶子的颜色只是该特定时间和地点的快照。在本文末尾，为增加视觉趣味，我们将以 3D CIE L*a*b* 色彩空间展示本文采样的所有叶子的色域。
美国北部红枫分布（北部研究站）
美国北部挪威枫分布（北部研究站）
简介
美国东北地区的许多人都非常喜爱秋季落叶。在落叶季节，经常可以看到在国家或州立保护区自驾游或露营的家庭。本文旨在通过光谱反射率数据（类似于人眼观察颜色的方式）来分析不同落叶程度的叶子。本文不讨论因失绿症、压力或其他因素导致的叶子变色。
秋季枫叶的色彩形成主要与三种色素有关：叶绿素、类胡萝卜素和花青素。叶绿素是使叶子在早春至深夏呈现绿色的物质 (Kozlowski and Pallardy)。当气温下降、白昼变短时，在整个生长季节都存在于叶子中的类胡萝卜素开始显现，协助叶绿素吸收光线进行光合作用 (Dey and Harbourne)。对于含有花青素的植物，这种色素负责枫叶在秋季呈现出的红粉色调。
方法论
每片叶子都被夹在两张纸之间，并用书本重压几天，以确保测量区域平整光滑。测量时，每片叶子都以中性陶瓷白板为底，取 3 次读数的平均值作为最终输出。由于叶子没有金属片或特殊涂层等特殊效果，我使用了 0/45 几何结构的分光光度仪 Techkon SpectroDens 4 作为主要的色彩采集仪器。数据导入 MatchMyColor Colibri 软件进行分析。
专业的叶片测量装置
结果与讨论
从下方的光谱曲线图可以看出，绿叶在约 550 nm 区域有一个波峰，而蓝色区域和红色区域则被抑制。叶绿素吸收了大部分蓝色和红色波长的光，并反射绿色成分。下图显示了叶绿素色素的相对吸光度（由哈佛森林提供）以及偏绿红枫叶的光谱图。
叶绿素色素光谱响应（哈佛森林与 MatchMyColor Colibri）
随着花青素的形成，大部分蓝色、绿色和部分黄色波长的光被吸收，但几乎反射了整个红色光谱。根据落叶程度的不同，各种深浅不一的红色主导了叶子的外观。以下是花青素色素的相对吸光度（由哈佛森林提供）以及偏红红枫叶的光谱图。
花青素色素光谱响应（哈佛森林与 MatchMyColor Colibri）
当叶子开始失去叶绿素，类胡萝卜素显现以辅助光合作用时，叶子对可见光谱中绿色和黄色波长的反射率开始提高，而红色部分的反射率较低，并继续吸收光谱中的蓝光。换句话说，叶子开始变黄，这是它们生命周期中的最后一种颜色。以下是相对吸光度（由哈佛森林提供）以及偏黄红枫叶的光谱图。
类胡萝卜素色素光谱响应（哈佛森林与 MatchMyColor Colibri）
以下是上述段落中讨论的所有红枫样本的光谱曲线。
红枫叶的光谱曲线
由于挪威枫的色彩形成行为与红枫非常相似，此处省略冗余分析。以下是我为本文采集的所有挪威枫样本的光谱曲线。
挪威枫叶的光谱曲线
得益于 Colibri 软件中的 3D 色域视图，我导入了本文的所有测量数据并按树种进行了分类，这绘制出了两种枫树样本的色域，同时也为广大色彩和森林爱好者提供了视觉盛宴！
在 Colibri 软件中采集的红枫和挪威枫叶的 3D 色域显示
参考文献
Dey, P.M. 和 Harbourne。 1997. 植物生物化学。学院出版社，加利福尼亚州圣地亚哥。
Kozlowski, T.T. 和 S.G. Pallardy。 1997. 木本植物生理学。学院出版社，圣地亚哥。
哈佛森林。2017。http://harvardforest.fas.harvard.edu/leaves/pigment
John Seymour。 2016. 叶子的颜色。 http://johnthemathguy.blogspot.com/2016/09/the-color-of-leaves.html